À mesure que 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 qui peut 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 lorsqu’ils sont expédiés et stockés, contribuant ainsi à réduire le gaspillage alimentaire, explique Timothy Swager, professeur de chimie John D. MacArthur au MIT.
«Il y a un besoin persistant d’une meilleure gestion des aliments et d’une réduction du gaspillage alimentaire», explique Swager. “Les personnes qui transportent des fruits aimeraient savoir comment cela se passe pendant le transport et si elles doivent prendre des mesures pour limiter l’éthylène pendant leur 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. Un détecteur d’éthylène pourrait également être utile pour surveiller ce type de fabrication industrielle d’éthylène, selon les chercheurs.
Swager est l’auteur principal de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans la revue ACS Central. Darryl Fong, postdoctorant du MIT, est l’auteur principal de l’article, et l’étudiant diplômé du MIT Shao-Xiong (Lennon) Luo et le chercheur invité Rafaela Da Silveira Andre sont également des 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 le produisent à mesure qu’elles se préparent à fleurir. Les produits et les fleurs sous stress peuvent surproduire de l’éthylène, ce qui les conduit 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 parce que les capteurs contiennent du cuivre, ils sont susceptibles de finir par se corroder par l’oxygène et de cesser de fonctionner.
“Il n’y a toujours pas de bon capteur commercial pour l’éthylène”, explique Swager. “Pour gérer tout type de produits qui sont stockés 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 comme 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 passe ensuite ces électrons supplémentaires aux nanotubes de carbone, les rendant ainsi 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 en quelques secondes d’exposition, et une fois que le gaz a disparu, 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.
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 le lisianthus pourpre. Ils ont mesuré la production d’éthylène sur cinq jours, leur permettant de suivre la relation entre les niveaux d’éthylène et la floraison des plantes.
Dans leurs études sur les œillets, les chercheurs ont constaté qu’il y avait une augmentation rapide de la concentration d’éthylène le premier jour de l’expérience, et les fleurs ont fleuri peu de temps après, le tout en un jour ou deux.
Les fleurs de lisianthus pourpres ont montré une augmentation plus progressive de l’éthylène qui a commencé le premier jour et a duré jusqu’au quatrième jour, quand elle 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 paquets d’aliments végétaux fournis avec les fleurs avaient un effet sur la production d’éthylène. Ils ont constaté que les plantes recevant la nourriture 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 Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada et la Sao Paulo Research Foundation.