La technologie Carboxen^® détecte les origines de la planète et améliore la vie sur Terre

Avant que l'aube ne se lève dans le ciel de Cape Canaveral le matin du 15 octobre 1997, Cassini commença son voyage de 7 ans et 3,5 milliards de kilomètres pour explorer le système de Saturne. À bord, la sonde Huygens en forme de coquillage allait tenter le tout premier atterrissage sur Titan, une des lunes glacées de Saturne. L'objectif de cette mission : recueillir des informations sur les mystères des anneaux de Saturne et leurs lunes et peut-être, entrevoir les origines de notre système solaire.

Enfouies au plus profond de Cassini et de la sonde Huygens se trouvaient de petites billes sphériques de carbone, prêtes à collecter et à concentrer des gaz pour les analyser. Les "astronautes" Carboxen^® de l'offre de produits Supelco^® étaient prêts à aller vaillamment là où aucune technologie d'adsorption ne s'était jamais rendue. Les informations qu'ils recueilleraient modifieraient les théories fondamentales sur la naissance de notre système solaire.

La technologie des produits Supelco^® serait utilisée dans deux analyseurs. Le spectromètre de masse ionique et neutre (INMS) sur Cassini comportait du Carboxen^® 1004, une couche multi-poreuse de sphères de carbone, très élaborée et méticuleusement uniforme pour analyser les isotopes de l'hydrogène et les hydrocarbures à petite chaîne. Ces résultats seraient utilisés pour affiner la théorie du Big Bang et rechercher des indicateurs de formes de vie.

Le spectromètre de masse couplé à la chromatographie en phase gazeuse (GC-MS) sur la sonde Huygens comprenait un tamis moléculaire de carbone graphité Carboxen^® 1017. Cette technologie ferait la descente de 2 h 30 min vers la surface de Titan, recueillerait et concentrerait des échantillons en tombant, avant de passer 72 minutes à collecter des données sur la surface de Titan.

"L'énergie dans la pièce était palpable quand nous avons appris les résultats", se souvient M. Betz. "Huygens a établi que les gaz primaires dans l'atmosphère de Titan étaient l'azote et le méthane. En détectant les ratios d'isotopes du carbone et de l'azote et en remarquant l'absence de gaz nobles, autres que l'argon, l'évolution de l'atmosphère de Titan a pu être modélisée. Cela a révélé des données contraires à celles mesurées sur Vénus et Jupiter et participé à des conversations plus importantes autour de la formation des planètes."

"C'est étonnant de penser que les données issues de Titan peuvent façonner la manière dont nous voyons notre système solaire", déclare M. Betz. "Nous savons maintenant que le méthane et l'éthane tombent des nuages avec les pluies et se concentrent dans les rivières et les lacs au niveau des pôles et que la surface solide consiste en glace d'eau recouverte d'hydrocarbures qui tombent de l'atmosphère. Cela brosse un tableau assez précis des premiers jours de la formation de la Terre."

Vers l'ISS et au-delà...

Cassini a terminé son ultime mission en faisant des allées et venues entre Saturne et ses anneaux avant de plonger dans la planète, en continuant à transmettre des données avant de se consumer comme une météore et de faire partie de la planète elle-même.

Mais ce n'était pas la fin des Carboxènes dans l'espace. En 2018, la NASA a rappelé, cette fois avec une mission de surveillance miniaturisée de l'atmosphère à bord de la Station spatiale internationale (ISS). Lors de sa collaboration avec le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, Merck a été invitée à fournir le préconcentrateur pour le chromatographe en phase gazeuse préconcentrateur des systèmes mécaniques micro-électriques (MEMS PCGC). Cette technologie à l'épreuve du temps devait permettre une analyse des gaz à l'état de traces et des principaux constituants critiques à bord de l'ISS, lors des activités extravéhiculaires et à l'intérieur des combinaisons spatiales.

"Ce développement a demandé un énorme bond technologique", se rappelle le Dr Leidy Peña Duque, Senior Scientist, Adsorption Technologies. "La NASA voulait améliorer pratiquement tous les aspects de nos systèmes de surveillance de l'air existants : des unités plus petites et plus légères, des contrôles plus fréquents et un fonctionnement en continu. Les astronautes dépendent des données de ces systèmes, même de légers déséquilibres dans les ratios atmosphériques peuvent avoir des conséquences rapides et sérieuses. Nos technologies devaient être infaillibles, mais aussi respecter tout un ensemble d'objectifs de performance."

L'équipe a utilisé Carboxen 1000, une monocouche de sphères de carbone synthétiques ultra pures, chacune mesurant entre 177 – 250 µm avec un diamètre de pores d'à peine 10 – 12 Å. Cette minuscule monocouche, fournie sur une puce pas plus grande qu'une pièce de monnaie, concentre les gaz d'un facteur 4000, un bond en avant considérable par rapport aux capacités du précédent système.

"Ce nouveau système mesure les principaux gaz toutes les deux minutes, offrant une vue en temps quasi réel de l'atmosphère qui pénètre dans les poumons des astronautes", explique Mme Duque. "Les systèmes précédents ne pouvaient gérer que 3 à 5 lectures par heure et en plus de cela, la NASA peut maintenant tester des gaz traces chaque semaine. Ce compagnon fiable possède un tiers de la masse de son prédécesseur et débite des données automatiquement. Les astronautes savent exactement ce qu'ils respirent et s'il devait y avoir un changement de paramètre, ils pourraient prendre des mesures immédiates."

De l'espace au traitement du cancer, et bien davantage

"Ces petites billes de carbone renferment un tel potentiel qu'elles ont un rôle tout aussi important ici sur Terre", poursuite Mme Duque. "Puisqu'elles sont synthétisées en laboratoire, elles ont une pureté et un profil morphologique qui sont bien supérieurs au charbon actif d'origine naturelle, donc elles peuvent être utilisées dans les procédures de purification les plus difficiles."

Les Carboxènes sont maintenant utilisés pour la production de produits biologiques de pointe, plus récemment en purification d'anticorps monoclonaux (mAb) pour traiter des cancers et des maladies auto-immunes. Les protéines de cellules hôtes (HCP) sont un sous-produit de la production de mAb, mais peuvent provoquer une réponse immunitaire indésirable chez les patients si elles ne sont pas éliminées du produit fini. Les HCP de faible poids moléculaire sont particulièrement difficiles à éliminer en raison de leurs propriétés physico-chimiques et de leur association non spécifique avec les anticorps. Ajouté à cela, le fait que les procédés upstream créent des conditions de pH et de conductivité hautement variables, rendant de nombreux procédés de purification inadaptés.

"En raison de la nature hautement personnalisable des Carboxènes, la purification se déroule dans des conditions de pH et d'hydrophilie ou d'hydrophobie extrêmes, et elles sont si efficaces que des procédés d'échange d'ions downstream ne sont pas forcément nécessaires. Cela pourrait changer la donne en matière d'amélioration de la sécurité et de l'efficacité des anticorps monoclonaux."

"Les Carboxènes n'en sont qu'au début de leur parcours et ils ne représentent qu'une partie de l'offre étendue de produits Supelco^® utilisant la technologie du carbone", poursuit Mme Duque. "Nous étudions actuellement leur utilisation dans les applications autour de la capacité des batteries pour soutenir les catalyseurs de métaux précieux. Avec la précision des Carboxènes, nous pouvons réduire la quantité de métaux précieux requise. Cela sera critique, car ces derniers ne sont disponibles qu'en quantités limitées pour notre évolution vers des transports et un stockage d'énergie plus éco-responsables."

Les Carboxènes nous ont été bien utiles dans l'espace ; ils tourbillonnent maintenant à l'intérieur de Saturne et mesurent diligemment l'air que les astronautes respirent. Cependant, alors qu'ils poursuivent leur mission sur Terre, en purifiant des traitements anticancéreux qui sauvent des vies et en alimentant la révolution énergétique durable, nous savons que ce n'est que le début de leur voyage. Où ces petites sphères de carbone pourraient-elles encore nous mener ?