Pour tester les capacités du nouveau capteur, les chercheurs ont déposé les nanotubes de carbone et d'autres composants du capteur sur une lame de verre. Ils l'ont ensuite utilisé pour surveiller la production d'éthylène dans deux types de fleurs :les œillets rouges et les lisianthus violets.
La surveillance de l'hormone végétale éthylène pourrait révéler quand les fruits et légumes sont sur le point de se gâter.
Lorsque les fleurs fleurissent et que les fruits mûrissent, ils émettent un gaz incolore et odorant appelé éthylène. Les chimistes du MIT ont maintenant créé un minuscule capteur capable de détecter ce gaz à des concentrations aussi faibles que 15 parties par milliard, ce qui, selon eux, pourrait être utile pour prévenir la détérioration des aliments.
Le capteur, qui est fabriqué à partir de cylindres semi-conducteurs appelés nanotubes de carbone, pourrait être utilisé pour surveiller les fruits et légumes lors de leur expédition et de leur stockage, contribuant ainsi à réduire le gaspillage alimentaire, explique Timothy Swager, professeur de chimie John D. MacArthur au MIT. /P>
« Il existe un besoin persistant pour une meilleure gestion des aliments et une réduction du gaspillage alimentaire », déclare Swager. "Les personnes qui transportent des fruits aimeraient savoir comment cela se passe pendant le transport et s'ils doivent prendre des mesures pour réduire l'éthylène pendant le transport."
En plus de son rôle naturel d'hormone végétale, l'éthylène est également le composé organique le plus fabriqué au monde et est utilisé pour fabriquer des produits tels que les plastiques et les vêtements. Selon les chercheurs, un détecteur d'éthylène pourrait également être utile pour surveiller ce type de fabrication industrielle d'éthylène.
Swager est l'auteur principal de l'étude, qui paraît aujourd'hui (18 mars 2020) dans la revue ACS Central . Le post-doctorant du MIT Darryl Fong est l'auteur principal de l'article, et l'étudiante diplômée du MIT Shao-Xiong (Lennon) Luo et la chercheuse invitée Rafaela Da Silveira Andre sont également les auteurs.
Mûr ou pas
L'éthylène est produit par la plupart des plantes, qui l'utilisent comme hormone pour stimuler la croissance, la maturation et d'autres étapes clés de leur cycle de vie. Les bananes, par exemple, produisent des quantités croissantes d'éthylène à mesure qu'elles mûrissent et brunissent, et les fleurs en produisent lorsqu'elles se préparent à fleurir. Les produits et les fleurs soumis à un stress peuvent surproduire de l'éthylène, ce qui les amène à mûrir ou à se flétrir prématurément. On estime que chaque année, les supermarchés américains perdent environ 12 % de leurs fruits et légumes à cause de la détérioration, selon le département américain de l'Agriculture.
En 2012, le laboratoire de Swager a développé un capteur d'éthylène contenant des réseaux de dizaines de milliers de nanotubes de carbone. Ces cylindres de carbone permettent aux électrons de circuler le long d'eux, mais les chercheurs ont ajouté des atomes de cuivre qui ralentissent le flux d'électrons. Lorsque l'éthylène est présent, il se lie aux atomes de cuivre et ralentit encore plus les électrons. La mesure de ce ralentissement peut révéler la quantité d'éthylène présente. Cependant, ce capteur ne peut détecter que des niveaux d'éthylène jusqu'à 500 parties par milliard, et comme les capteurs contiennent du cuivre, ils risquent d'être éventuellement corrodés par l'oxygène et de cesser de fonctionner.
"Il n'y a toujours pas de bon capteur commercial pour l'éthylène", déclare Swager. "Pour gérer tout type de produit stocké à long terme, comme les pommes ou les pommes de terre, les gens aimeraient pouvoir mesurer son éthylène pour déterminer s'il est en mode stase ou s'il mûrit."
Swager et Fong ont créé un nouveau type de capteur d'éthylène qui est également basé sur des nanotubes de carbone mais fonctionne selon un mécanisme entièrement différent, connu sous le nom d'oxydation Wacker. Au lieu d'incorporer un métal tel que le cuivre qui se lie directement à l'éthylène, ils ont utilisé un catalyseur métallique appelé palladium qui ajoute de l'oxygène à l'éthylène au cours d'un processus appelé oxydation.
Lorsque le catalyseur au palladium effectue cette oxydation, le catalyseur gagne temporairement des électrons. Le palladium transmet ensuite ces électrons supplémentaires aux nanotubes de carbone, les rendant plus conducteurs. En mesurant le changement résultant du flux de courant, les chercheurs peuvent détecter la présence d'éthylène.
Le capteur réagit à l'éthylène quelques secondes après l'exposition, et une fois le gaz parti, le capteur revient à sa conductivité de base en quelques minutes.
"Vous basculez entre deux états différents du métal, et une fois que l'éthylène n'est plus là, il passe de cet état transitoire riche en électrons à son état d'origine", explique Fong.
"La réaffectation du système catalytique d'oxydation Wacker pour la détection de l'éthylène était une idée exceptionnellement intelligente et fondamentalement interdisciplinaire", déclare Zachary Wickens, professeur adjoint de chimie à l'Université du Wisconsin, qui n'a pas participé à l'étude. "L'équipe de recherche s'est appuyée sur les récentes modifications apportées à l'oxydation Wacker pour fournir un système catalytique robuste et l'a incorporé dans un dispositif à base de nanotubes de carbone pour fournir un capteur d'éthylène remarquablement sélectif et simple."
En fleurs
Pour tester les capacités du capteur, les chercheurs ont déposé les nanotubes de carbone et d'autres composants du capteur sur une lame de verre. Ils l'ont ensuite utilisé pour surveiller la production d'éthylène dans deux types de fleurs - les œillets et les lisianthus violets. Ils ont mesuré la production d'éthylène sur cinq jours, ce qui leur a permis de suivre la relation entre les niveaux d'éthylène et la floraison des plantes.
Dans leurs études sur les œillets, les chercheurs ont découvert qu'il y avait un pic rapide de concentration d'éthylène le premier jour de l'expérience, et que les fleurs fleurissaient peu de temps après, le tout en un jour ou deux.
Les fleurs de lisianthus violets ont montré une augmentation plus progressive de l'éthylène qui a commencé le premier jour et a duré jusqu'au quatrième jour, quand il a commencé à décliner. En conséquence, la floraison des fleurs s'est étalée sur plusieurs jours, et certaines n'avaient toujours pas fleuri à la fin de l'expérience.
Les chercheurs ont également étudié si les sachets d'aliments végétaux fournis avec les fleurs avaient un effet sur la production d'éthylène. Ils ont constaté que les plantes nourries présentaient de légers retards dans la production d'éthylène et la floraison, mais l'effet n'était pas significatif (seulement quelques heures).
L'équipe du MIT a déposé un brevet sur le nouveau capteur. La recherche a été financée par la National Science Foundation, le U.S. Army Engineer Research and Development Center Environmental Quality Technology Program, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et la Sao Paulo Research Foundation.
Référence :"Trace Ethylene Sensing via Wacker Oxidation" par Darryl Fong, Shao-Xiong Luo, Rafaela S. Andre et Timothy M. Swager, 18 mars 2020, ACS Central .
DOI :10.1021/acscentsci.0c00022
