Technion : un radar optique pour tester les médicaments qui aurait pu éviter le scandale du Thalidomide
[:fr]Le groupe de recherche du Pr Erez Hasman du Technion a développé une technologie pour compresser des douzaines de lentilles sur une surface nanométrique. L’étude ouvre la voie vers la création d’un nouveau type d’élément optique avec de potentielles applications en médecine, en alimentation, en communication et dans d’autres secteurs.
Les possibles applications sont : le développement et le test d’ingrédients alimentaires et pharmaceutiques, les interconnexions optiques pour la communication et l’informatique par l’envoi de faisceau lumineux, des verres multifocaux doté d’une précision sans précédent ainsi que des outils d’informatique quantique.
Le Pr Hasman explique : « La source de notre inspiration est un radar ordinaire, basé sur le déploiement d’antennes qui transmet et reçoit de nombreux fronts d’ondes. Le défi dans la transition des radars à ondes radios en radar optique est causé par les dernières opérations à une plus petite longueur d’onde, environs 0.5 micron, et la longueur de l’antenne doit être plus courte que la longueur d’onde. »
Le groupe de recherche en nano-optique est composé des étudiants de troisième cycle : Elhanan Maguid, Igor Yulevich, Dekel Veksleret le docteur chercheur Vladimir Kleiner, en collaboration avec le professeur Mark Brongersma de l’Université de Stanford. Le groupe a démontré que par le mélange de nombreuses antennes, beaucoup de front d’ondes peuvent être produit à partir d’une ouverture optique commune. «L’approche que nous avons développé devrait provoquer une révolution fonctionnelle dans l’optique. C’est basé sur une combinaison du concept d’ouverture commune et de méta surfaces, que j’ai développé en 2001. Cette combinaison ouvre la voie pour une mise en œuvre d’élément multifonction, c’est-à-dire des éléments capables de réaliser plusieurs tâches en même temps, soit des nouveaux types d’éléments optique », précise le Pr Hasman.
Les métasurfaces sont de fin éléments optiques, approximativement une centaine de fois plus fin qu’un cheveu, couvert d’une antenne miniature (une nano antennes). La forme, localisation et l’orientation de l’antenne déterminent les propriétés du petit élément optique, et par conséquent, un contrôle précis du placement des antennes est essentiel à la performance du dispositif.
Le groupe a appliqué des techniques pour créer un réseau de nano-antenne afin d’obtenir de multiples fronts d’ondes particulier, tel qu’un vortex de faisceaux transportant moment angulaire de l’orbite (moment cinétique orbital). Cette réalisation a été utilisée pour la mesure simultanée un spectre de caractéristiques et la polarisation de l’état de lumière, permettant d’intégrer les analyses spectro-polarimétrique sur puce.
L’étude présente plusieurs méthodes pour mettre en œuvre la multifonctionnalité des méta-surfaces. L’agencement unique des nano-antennes permet aux chercheurs de se concentrer sur les faisceaux lumineux et de les réfléchir dans la direction souhaitée en contrôlant le niveau du spin du photon. Le spin, c’est-à-dire, le moment cinétique interne, est une propriété de la particule de lumière (photon) décrivant la direction de la rotation du photon.
Schematic demonstration of different light beams with angular momentum emanating from antenna arrays on metasurface
Les chercheurs ont pris l’avantage de ces propriétés et ont développé un élément capable de mesurer la longueur d’onde et la polarisation de la lumière simultanément, en une seule mesure. Il s’agit d’un spectro-polarimètre d’une taille d’environs 50 microns, permettant l’incorporation petits systèmes avancés de diagnostiques médicaux et dans d’autres domaines. Dans l’article, les chercheurs présentent la caractérisation et la différentiation entre les deux types de glucoses. Morphologiquement, les deux types de glucoses sont énantiomère, soit l’exacte image l’une de l’autre, comme deux gouttes d’eau. Cette propriété est nommée la chiralité.
Depuis que le glucose change la polarisation de la lumière, les chercheurs mesurent les propriétés de la lumière dispersée par la solution de glucose, en utilisant les méta-surfaces qu’ils ont développé, et on ainsi été capables de faire la distinction entre les deux types de glucose.
La distinction entre les deux types de glucoses est primordiale, car les mammifères possèdent des enzymes qui brisent le D-glucose mais pas L-glucose, par conséquent le D- énantiomères est biologiquement actif.
De plus, étant donné que la plupart des molécules biologiques sont chirales, la distinction de l’énantiomère a des répercussions généralisées pour les industries pharmaceutiques et alimentaires. Le Thalidomide, médicament utilisé durant les années 1950 et 1960 comme sédatif et anti-nauséeux chez les femmes enceintes, qui provoqua de graves malformations congénitales, a été basé sur une molécule chirale. L’un de ses énantiomères soulage en effet les nausées matinales chez les femmes enceintes, mais les autres nuisent au développement du fœtus.
« Israël, un empire de l’optique »
Le Pr Hasman dirige le laboratoire Micro et Nanooptique à la Faculté de génie mécanique et de l’Institut de nanotechnologie Russell Berrie du Technion. Il explique : « Outre le savoir-faire que nous avons accumulé ici depuis de nombreuses années de travail, le Technion dispose d’une infrastructure de classe mondiale très avancée, qui nous permet de développer et de produire une nanotechnologie révolutionnaire. » Il note fièrement la position d’Israël sur la carte du monde de l’optique. « Israël, et pas seulement le Technion, est certainement un empire de l’optique. Nous disposons de certains groupes à la pointe de la recherche mondiale, ainsi qu’une industrie très impressionnante« .
Le Pr Hasman a obtenu son doctorat à l’Institut Weizmann et a ensuite passé une dizaine d’années à mener le développement dans les industries civiles et militaires.
En 1998, compte tenu de la pénurie d’ingénieurs optiques, le Technion lui a offert la possibilité d’établir la piste d’ingénierie optique à la Faculté de génie mécanique – et il a accepté l’offre. Il indique : « Il est maintenant clair que l’arrière-plan de l’ingénierie, vaste comme il peut l’être, n’est pas complet sans une formation scientifique approfondie, et c’est cet écart que nous remplissons ici : formation d’ingénieurs avec une compréhension globale de la science optique. Aujourd’hui, cette voie fournie à l’industrie de nombreux anciens étudiants possédants des connaissances approfondies en optique et forme de nombreux doctorants, et il y a même des professeurs dans les universités qui ont étudié ici dans la voie d’ingénierie optique. »
Source Techtalk
Publication dans Science 21 avril 2016
[:en]The research group of Technion Prof. Erez Hasman has developed technology for compressing dozens of lenses on a nanometric surface. The study, published in Science magazine, paves the way for creating a completely new type of optical elements with potential applications in medicine, food, communications and other fields.
Science magazine reports on new technology developed by the research group of Prof. Erez Hasman from the Faculty of Mechanical Engineering at the Technion. This technology enables the compression of dozens of lenses on a nanometric surface. Possible applications: development and testing of food ingredients and pharmaceuticals, optical interconnect for communication and computing by sending multiple beams of light, splitting the light signals transmitted through optical fiber, connecting several beams of light, multifocal glasses with an unprecedented level of accuracy, and devices for quantum computing.
“The source of our inspiration,” explains Prof. Hasman, “is ordinary radar, based on the deployment of antennas that transmit and receive various wave-fronts. The challenge in the transition from radio wave radar to optical radar is related to the fact that the latter operates at much shorter wavelengths – around 0.5 micron – and the length of the antenna must be smaller than the wavelength.”
The study was conducted by the nano-optics research group, headed by Prof. Hasman, whose members are graduate students Elhanan Maguid, Igor Yulevich, Dekel Veksler and researcher Dr. Vladimir Kleiner, in collaboration with Prof. Mark Brongersma of Stanford University. The group showed that by spatial mixing of various antennas, many wave-fronts can be produced from a shared optical aperture. “The approach that we developed is expected to bring about a functionality revolution in optics,” explains Prof. Hasman. “It is based on a combination the shared-aperture concept and metasurfaces, which I developed back in 2001. This combination paves way for the implementation of multi-functional elements, i.e. elements that are able to perform several tasks simultaneously and, in effect, new types of optical elements.”
Schematic demonstration of different light beams with angular momentum emanating from antenna arrays on metasurface
Metasurfaces are thin optical elements, approximately one hundredth of the thickness of a hair shaft, covered with miniature antennas (nano-antennas). The shape, location and orientation of the antenna determine the properties of the tiny optical elements, and therefore precise control of the placement of the antennas is essential for the performance of the device. The group has applied techniques for creating nano-antenna arrays in order to obtain special multiple wave-fronts, such as vortex beams carrying orbital angular momentum. This achievement has been utilized for the simultaneous measurement of spectrum characteristics and polarization state of light, enabling integrated on-chip spectro-polarimetric analysis.
The article in Science, which was selected for early publication by the editors, presents various methods for implementing multi-functionality in metasurfaces. The unique arrangement of the nano-antennas allows researchers to focus light rays and deflect them in desired directions while controlling the degree of spin of photon. The spin, i.e. the internal angular momentum, is a property of the particle of light (photon) describing the direction of the photon rotation.
The researchers took advantage of these properties and developed an element which is able to measure the wavelength and polarization of light simultaneously, as a single measurement. This is actually a spectro-polarimeter of around 50 microns in size, allowing the integration of advanced small diagnostics systems in medicine and other fields. In the article, the researchers presented the characterization and differentiation between the two types of glucose – left (L) and right (D). Morphologically, the two types of glucose are enantiomeric, i.e. an exact mirror image of each other – like a pair of hands. This property is called chirality.
Since glucose changes the polarization of light, the researchers measured properties of the light scattered by the glucose solution using the metasurfaces that they developed, and were able to distinguish between the two types of glucose.
This distinction between the two types of glucose is important because mammals have enzymes that break down D-glucose but not L-glucose, and therefore only the D enantiomer is biologically active. Moreover, since most biological molecules are chiral, enantiomeric distinction has widespread implications for the pharmaceutical and food industries. Thalidomide, for example – the anti-nausea drug that caused thousands of birth defects in the 1950s – was based on a chiral molecule. One of its enantiomers does indeed relieve morning sickness in pregnant women, but the other harms fetal development.
Prof. Hasman heads the Micro and Nanooptics Laboratory at the Faculty of Mechanical Engineering and the Russell Berrie Nanotechnology Institute at the Technion. He said, “Apart from the know-how that we have accumulated here in many years of work, Technion has a highly advanced world-class infrastructure, enabling us to develop and produce very pioneering nanotechnology. This is all going on at the Sara & Moshe Zisapel Nanoelectronics Center.” He proudly notes Israel’s position on the global optics map. “Israel, and not only the Technion, is definitely an optics empire. We have some of the world’s leading research groups as well as a highly impressive industry.”
Prof. Hasman earned his doctorate at the Weizmann Institute of Science and then spent a decade spearheading developments in the civilian and defense industries. In 1998, in view of the shortage of optical engineers, the Technion offered him the opportunity to establish the Optical Engineering track at the Faculty of Mechanical Engineering – and he accepted the offer. He says, “It is now clear that an engineering background, extensive as it may be, is not complete without a thorough scientific background, and this is the gap that we are filling here: training engineers with a comprehensive understanding of optical science. Today, this track provides industry with many alumni who possess in-depth knowledge in optics and trains many doctoral students, and there are even professors in academia who studied here in the Optical Engineering track.”
Source Technion
Publication in Science April 21th, 2016[:]
