Une lentille de quelques millimètres révolutionne l’optique et la détection des gaz

Les avancées dans le domaine des matériaux intelligents ouvrent de nouvelles perspectives pour l’optique et la technologie des capteurs. Une équipe de chercheurs danois a mis au point une micro-lentille aux propriétés remarquables, marquant une étape significative dans le développement de composants optiques réactifs.

L’équipe de recherche de l’Université de Iéna a conçu une lentille optique de taille réduite, mesurant seulement quelques millimètres, dont le comportement réfractif est modifié en présence de gaz.

Le comportement «intelligent» de la micro-lentille est rendu possible grâce au matériau hybride en verre qui la compose. La structure moléculaire de la lentille est constituée d’un réseau tridimensionnel comportant des cavités capables d’accueillir des molécules de gaz, influençant ainsi les propriétés optiques du matériau.

Des verres multi-réactifs

Le professeur Lothar Wondraczek, spécialiste en chimie du verre à l’Université de Iéna, précise : «Avec le soutien de la Fondation Carl Zeiss, nous développons des matériaux dits multi-réactifs. Dans le cas de la lentille en verre hybride, cela signifie qu’elle réfracte la lumière plus ou moins fortement selon que le gaz est absorbé ou non dans le matériau de la lentille.»

Le défi principal résidait dans l’adaptation des méthodes classiques de formation du verre à ces matériaux spéciaux. Le professeur Wondraczek poursuit : «Les structures métallo-organiques que nous avons utilisées ici sont étudiées et développées en tant que matériaux pour le stockage ou la séparation des gaz.»

Un processus de synthèse innovant

Oksana Smirnova, doctorante et auteure principale de la publication, ajoute : «Cependant, la plupart de ces substances se décomposent lorsqu’elles sont chauffées et sont donc très difficiles à mettre en forme.»

En collaboration avec le Dr Alexander Knebel, responsable de groupe de recherche junior à la chaire de chimie du verre, les chercheurs de Iéna ont d’abord dû développer un processus de synthèse adapté pour obtenir des matériaux de haute pureté.

Ils ont ensuite identifié les conditions optimales pour façonner le matériau. La chimiste indique : «Nous faisons fondre le matériau puis le transférons dans un moule imprimé en 3D, où il est pressé. Ce processus nous permet de choisir presque n’importe quelle forme souhaitée.» Elle poursuit : «Nous avons délibérément choisi la forme de la lentille car même les plus petites impuretés sont perceptibles dans une lentille, affectant directement les propriétés optiques.»

Des applications potentielles variées

Le professeur Wondraczek souligne que ce nouveau processus permet fondamentalement une grande variété de formes et de géométries, allant au-delà de l’application spécifique en tant que micro-lentilles. «Comme ces matériaux multi-réactifs réagissent simultanément à plusieurs influences, ils pourraient être utilisés pour des circuits logiques, par exemple», décrit le scientifique des matériaux.

Il explique : «Cela signifie spécifiquement que deux conditions sont liées pour la réaction observable. Si un faisceau lumineux frappe la lentille et que du gaz est absorbé simultanément dans le matériau de la lentille, alors la lumière est réfractée d’une manière particulière, fournissant un retour combiné.»

Des membranes pour la séparation des gaz, dont les propriétés optiques changent en présence de molécules de gaz, sont également envisageables. De tels composants optiques pourraient être utilisés dans la technologie des capteurs, rendant les méthodes de mesure plus efficaces, moins encombrantes et «intelligentes».

Oksana Smirnova, Roman Sajzew, Sarah Jasmin Finkelmeyer, Teymur Asadov, Sayan Chattopadhyay, Torsten Wieduwilt, Aaron Reupert, Martin Presselt, Alexander Knebel & Lothar Wondraczek: „Micro-optical elements from optical-quality ZIF-62 hybrid glasses by hot imprinting”, Nature Communications, 2024 (15) 5079. DOI: 10.1038/s41467-024-49428-1

Légende illustration : Oksana Smirnova, étudiante en doctorat, étudie les microlentilles optiques fabriquées à partir de verres hybrides. Image : Jens Meyer (Université d’Iéna)