Une fibre flexible à commutateurs moléculaires qui détecte les rayons UV

La dualité de la lumière ultraviolette

La lumière ultraviolette (UV) occupe la plage spectrale entre 100 et 400 nm, laquelle est subdivisée en UVC (100 à 280 nm), UVB (280 à 315 nm) et UVA (315 à 400 nm). Bien que le soleil en soit la principale source, les UV sont également produits par des sources artificielles comme les lampes germicides et les lampes de bronzage. Ce rayonnement comporte une dualité importante. Il est essentiel à la santé, car il contribue à la production de vitamine D et à la régulation de la pression artérielle, en plus de servir à diverses applications allant de la stérilisation à la photothérapie. Mais une surexposition comporte des risques graves, notamment des coups de soleil, un vieillissement prématuré de la peau, des lésions oculaires et une photodégradation des matériaux. Il est important de noter que le rayonnement UV est un cancérigène connu sur toute sa plage. Pour profiter de ses bienfaits en toute sécurité tout en atténuant ces dangers, il est important de quantifier les doses cumulées d’UV en temps réel lors d’activités en plein air ou sur les lieux de travail.

Malgré les progrès réalisés dans le domaine de la détection des UV, les technologies actuelles sont grandement limitées : manque de flexibilité des matériaux, complexité de fabrication, dépendance à des instruments scientifiques coûteux ou à une inspection visuelle subjective. Par exemple, les films en polysulfone, considérés comme la référence absolue en matière de dosimétrie UV, subissent un changement de couleur irréversible lorsqu’ils sont exposés. Interpréter ce changement pour déterminer une dose cumulative nécessite un spectrophotomètre et des courbes d’étalonnage, outils peu pratiques pour le grand public. Pour combler cette lacune, nous avons fabriqué une fibre optique hautement flexible. Cette technologie offre un capteur plus fiable, plus accessible et plus précis. Elle procure une alternative pratique aux détecteurs de lumière UV rigides et permet leur intégration dans des dispositifs portables et des textiles.

Conception d’un nouveau capteur UV

Nous avons choisi de concevoir notre capteur sous forme de fibre optique flexible, semblable à un fil de pêche, pour plusieurs raisons. Cette forme s’intègre facilement dans les appareils portables et les textiles, et fonctionne bien avec les composants électroniques simples nécessaires à la construction d’un capteur optique quantitatif comme les LED et les photodétecteurs. Les recherches montrent également que le principe de fonctionnement de la fibre la rend beaucoup plus sensible qu’un simple film plat. En effet, l’interaction prolongée entre le matériau de détection et la lumière guidée le long de la fibre amplifie l’effet de détection. De plus, les fibres optiques sont insensibles aux interférences électromagnétiques et à la corrosion, et sont donc résistantes aux conditions extérieures.

Pour fabriquer cette fibre, il fallait un matériau transparent afin que la lumière puisse le traverser, mais également souple et très flexible (comme un élastique dans les vêtements) pour être porté confortablement et supporter des mouvements constants. Il devait résister aux dommages causés par les UV. Idéalement, il devait également être biocompatible afin de minimiser les réactions indésirables en contact direct avec la peau. Le candidat idéal était le poly(diméthylsiloxane) (PDMS), silicone utilisé dans les implants médicaux, dont les propriétés particulières sont détaillées dans notre article de synthèse (voir référence ci-dessous). Cependant, une fibre de silicone transparente seule ne peut pas détecter les rayons UV. Pour lui conférer cette capacité de détection, nous avons intégré un colorant organique spécial appelé spiropyranne. Ce colorant agit comme un commutateur moléculaire activé par la lumière. À l’état « désactivé », le colorant est incolore. Mais lorsqu’il est exposé aux rayons UV, la molécule change de forme et passe à l’état « activé » (figure 1a). Cette nouvelle forme rose agit comme un filtre de couleur, absorbant une partie définie de la lumière qui traverse la fibre (figure 1b). Plus la fibre est exposée aux rayons UV, plus le nombre de « commutateurs » activés augmente, et plus le signal est réduit. Une fois la lumière UV disparue, le commutateur moléculaire revient à sa forme initiale, la couleur rose s’estompe et le capteur est prêt à être réutilisé.

Essai de la fibre optique 

Pour tester la réponse de la fibre à la lumière UV, nous avons envoyé un faisceau laser rouge de 633 nm à travers la fibre et mesuré la sortie à l’aide d’un capteur de lumière (photodiode), comme illustré à la figure 2a. Cette longueur d’onde de lumière rouge, correspond au pic d’absorption de la fibre, ce qui rend les changements faciles à détecter. Nous avons ensuite exposé la fibre à une lampe UVA (370 nm) à plusieurs doses (0,2, 0,7 et 3,4 J/cm²) afin de mesurer sa réponse (figure 2b).

Comme le montre la figure 2b, la quantité de lumière traversant la fibre optique de PDMS dopé au colorant [∆P/P0 (%)] diminue fortement au moment où la lumière UV est activée. C’est le colorant photosensible qui agit : la lumière UV déclenche un changement structurel, bloquant le laser rouge. Lorsque la lumière UV est désactivée, la récupération commence jusqu’à ce que la fibre optique redevienne transparente, montrant un effet réversible sur plusieurs cycles à différentes doses d’UV.  La sensibilité du capteur a été estimée à 115 % par unité de dose UVA, atteignant sa réponse maximale à une dose UV de 0,4 J/cm². Cette plage de détection correspond à des applications concrètes telles que l’éclairage agricole, l’impression 3D et la photothérapie. Il convient de noter que les performances de la fibre ne sont pas affectées par la flexion, ce qui la rend parfaite pour les capteurs textiles ou portables.

Conclusion

Dans ce travail, nous avons démontré qu’un silicone (PDMS) mélangé à un colorant intelligent (commutateur moléculaire) peut servir de capteur à fibre optique hautement flexible et robuste pour la surveillance des doses d’UV. Sa nature caoutchouteuse en fait un excellent candidat à intégrer dans les textiles intelligents et les dispositifs portables, permettant une surveillance continue, pratique et personnalisée des UV, tout en offrant une alternative pratique aux détecteurs UV rigides traditionnels.

Petit rappel amical : n’oubliez pas la crème solaire ! 😊

Informations supplémentaires

Pour en savoir plus sur cette recherche, veuillez consulter les articles suivants :

Zimmermann, C. A., Amouzou, K. N., Sengupta, D., Kumar, A., Demarquette, N. R., & Ung, B. (2024). Novel elastomeric spiropyran-doped poly(dimethylsiloxane) optical waveguide for UV sensing. Frontiers of Optoelectronics, 17(1), 21. https://doi.org/10.1007/s12200-024-00124-4

Zimmermann, C. A., Amouzou, K. N., & Ung, B. (2025). Recent Advances in PDMS Optical Waveguides: Properties, Fabrication, and Applications. Advanced Optical Materials, 13(1), 2401975. https://doi.org/10.1002/adom.202401975