Résoudre un crime à l’aide de la chimie

La détection d’empreintes digitales est un aspect clé des enquêtes criminelles depuis plus de 100 ans. C'est un outil médico-légal important pour deux raisons : premièrement, les empreintes digitales sont uniques (même les jumeaux identiques ont des empreintes différentes), et deuxièmement, les empreintes digitales ne changent pas au fil du temps : si vous vous brûlez ou vous vous coupez le bout des doigts, la forme de vos empreintes se reformera tel qu'elles étaient avant. Sur une scène de crime, les empreintes digitales dites « directes » sont faciles à détecter. Ce sont par exemple des empreintes visibles laissées par des doigts couverts de sang. Les empreintes digitales «latentes», cependant, posent plus de problème. Ce sont des empreintes invisibles laissées par les huiles naturelles et la transpiration présentent à la surface de votre peau.

Au fil du temps, les médecins légistes ont développé des moyens pour visualiser les empreintes digitales latentes. La technique la plus ancienne est la méthode à la poudre, grâce à laquelle les empreintes digitales sont soigneusement saupoudrées de poudre sèche à l'aide d’un pinceau ou d'une brosse fine. La poudre adhère à l'humidité et à l'huile de l'empreinte digitale, la rendant visible. Il existe aujourd'hui des centaines de poudres de compositions différentes selon la surface pour laquelle elles sont utilisées. En général, ces poudres contiennent des pigments contrastants et des liants pour aider à adhérer à l'empreinte digitale. La méthode de la poudre est encore utilisée aujourd'hui car elle fonctionne sur presque toutes les surfaces non absorbantes, comme le verre.

Une autre technique de visualisation courante des empreintes est « la technique de fumigation » au cyanoacrylate. Cette méthode est utilisée par la police non pas sur la scène de crime elle-même mais en laboratoire. Les cyanoacrylates sont les molécules présentes dans la superglue, c’est pourquoi cette méthode est aussi appelée la « technique de la superglue ». Comme la méthode à la poudre, la fumigation au cyanoacrylate convient pour détecter les empreintes digitales sur les surfaces non absorbantes. La vaporisation est effectuée dans une chambre de développement. Le cyanoacrylate est chauffe jusqu’à ce qu’il forme une vapeur qui adhère à l'empreinte digitale. Après que des réactions naturelles de polymérisation aient eu lieux, une trace visible blanche apparaît.

Après le développement par cyanoacrylate, des poudres ou colorants peuvent être appliquées sur l'empreinte digitale pour améliorer le contraste et rendre l’empreinte plus visible. Les empreintes digitales sont souvent colorées avec une solution de cristal violet, ce qui les rend violettes.

L'activité décrite dans cet article permet aux élèves de détecter leurs propres empreintes digitales en utilisant la méthode de la superglue. Après avoir rendu leurs empreintes digitales visibles, les élèves ajoutent un colorant fluorescent aux empreintes pour ajouter du contraste. Cette procédure permet aux étudiants de découvrir une alternative sûre à la coloration des empreintes digitales, car le violet de cristal ne peut pas être utilisé en classe en raison de ses effets toxiques et cancérigènes. Il est recommandé aux élèves de travailler en petits groupes de trois. Chaque partie de l'activité dure environ 30 minutes.

Partie 1: Visualisation d’empreintes digitales latentes

Lors de cette procédure, les élèves détectent leurs empreintes digitales latentes en utilisant la méthode de la superglue. Cela leur permettra d’en apprendre plus sur les réactions de polymérisation. La méthode de la superglue consiste en l’évaporation de superglue dans une chambre fermée. Comme chambre, nous utiliserons une boîte de Tic Tac® et remplacerons son couvercle par un couvercle en plastique renforcé pour garantir son étanchéité. Alternativement, vous pouvez aussi utiliser une boîte de Tic Tac® avec une boîte de Pétri pour le couvercle, ou échanger la boîte contre un verre à boire, et à nouveau utiliser une boîte de Pétri comme couvercle^w1.  Notez que cet équipement ne doit pas être utilisé à d'autres fins après l'expérience, il faudra donc tout jeter.

Matériels

• Grande boîte de Tic Tac^® box (8 cm x 4 cm x 1.5 cm)
• Couvercle en plastique renforcé^w1
• Plaque chauffante
• Pince à épiler
• Des ciseaux
• Rouleau de cuisine
• Molleton de cellulose (par exemple, doublures de couches jetables)
• Papier d’aluminium
• Éthanol
• Superglue (la colle liquide fonctionne mieux)

Procédure

1. À l'aide de ciseaux, coupez un morceau de molleton d'environ 10 cm x 15 cm et placez-le à l'intérieur de la boîte de Tic Tac®.
2. Coupez un morceau de papier d'aluminium mesurant environ 4 cm x 4 cm. Ajoutez de l'éthanol à un morceau de papier essuie-tout et utilisez-le pour frotter la surface du papier d'aluminium pour éliminer toute saleté.
3. Choisissez une personne dans le groupe pour créer une empreinte digitale sur la feuille d'aluminium. La personne doit frotter un doigt sur son front ou son nez pour absorber son huile corporelle ou sa sueur, puis placer délicatement le bout du doigt sur le morceau de papier d'aluminium pendant deux secondes.
4. À l'aide d'une pince à épiler, placez la feuille d'aluminium à l'intérieur de la boîte.
5. Ajoutez dix gouttes de superglue au molleton de cellulose. Le molleton augmente la surface d'évaporation et empêche la superglue d'atteindre le fond de la boîte et de durcir.
6. Fermez le couvercle de la boîte et placez la boîte sur la plaque chauffante.
7. Réglez la plaque chauffante à 75 ° C. Si la température dépasse 100 ° C, la boîte fondra, alors assurez-vous que la température reste à environ 75 ° C (voir figure 1). Notez que l'utilisation de verrerie plutôt que la boîte de Tic Tac® éliminerait ce risque.
8. Dès que l'empreinte digitale est visible, retirez la boîte de la plaque chauffante. Attendez dix secondes, puis retirez la feuille d'aluminium avec la pince à épiler. Pour empêcher la superglue de s'échapper, n'ouvrez le couvercle que brièvement.
9. Si l'empreinte digitale n'est pas encore complètement développée, appliquez dix autres gouttes de superglue sur la toison et répétez la procédure.
10. Répétez la procédure pour chaque élève de votre groupe et comparez vos empreintes digitales. Notez qu'après cinq répétitions, vous devrez remplacer le molleton de cellulose.
11. Une fois que vous avez terminé la procédure pour tous les membres du groupe, placez la boîte sous une hotte avec le couvercle ouvert. Après quelques minutes, la boîte peut être jetée avec les ordures ménagères.

Discussion

Discutez de certaines des questions suivantes en classe :

• Qu'avez-vous vu lorsque vous avez allumé la plaque chauffante ?
• À quoi ressemble l'empreinte digitale après l’expérience ?
• Pourquoi seule l'empreinte digitale devient-elle blanche alors que le reste de la feuille d'aluminium reste le même ?
• Quel type de réaction se produit lorsque la superglue adhère à l'empreinte digitale ?
• Quels sont les réactifs et les produits de cette réaction chimique ?
• Comment la superglue peut-elle coller vos mains et vos paupières en seulement quelques secondes ?

Explication

Quelques minutes après la mise en marche de la plaque chauffante, la superlue se vaporise et s’echappe du molleton sous forme de gaz.  Cette vapeur de superglue adhère à l'empreinte digitale, laissant une trace blanche (voir figure 2). Cette réaction se produit parce que les esters de cyanoacrylate de la superglue polymérisent au contact des molécules de votre empreinte digitale (par exemple l'eau, les acides gras ou les acides aminés). Dans ce processus, un ester de cyanoacrylate (le plus souvent un monomère de cyanoacrylate d'éthyle) devient une chaîne moléculaire (un polymère de cyanoacrylate d’éthyle ; voir figure 3). À température ambiante, un polymère de cyanoacrylate d'éthyle est solide et blanc. Cette réaction de polymérisation ne se produit qu’á l’endroit de votre empreinte digitale. Cette méthode ne fonctionne que sur les objets secs. Si le morceau entier de feuille d'aluminium était humide, l'eau ferait polymériser sur toute la surface de la feuille.

Partie 2 : Rendre les empreintes digitales fluorescents

Dans cette partie de l'activité, les élèves coloreront les empreintes digitales de la partie 1 à l'aide d'un colorant fait à la main. Pour créer le colorant, les élèves dissolvent de l'encre de surligneurs dans de l'éthanol. Les élèves apprendront pendant cette expérience ce qu’est un spectre électromagnétique, la fluorescence, et les molécules polaires et non polaires.

Matériels

• Lampe UV (λ = 395 nanometres)
• Pince à épiler
• Trois boîtes de Pétri
• Trois morceaux de papier filtre
• Surligneur Stabilo Boss® jaune, orange et rose
• Feuille d'aluminium avec empreintes digitales révèlé à la superglue dans la partie 1 de ce protocole
• De l’éthanol
• Boîte en carton
• Sèche-cheveux (facultatif)

Procedure

1. Prenez un morceau de papier filtre et en coloriez la surface avec le surligneur jaune. Faite de même avec les deux autres morceaux de papier filtre et les deux autres surligneurs (voir la figure 4).

2. Placez chaque morceau de papier filtres dans des boîte de Pétri séparées. Ajoutez de l'éthanol dans chaque boîtes jusqu'à ce que le papier soit complètement recouvert (voir la figure 5).

3. Apres dix minutes, retirez les papiers filtres des boîtes de Pétri à l'aide d'une pince à épiler et jetez-les avec vos ordures ménagères.

4. Choisissez trois de vos plus belles empreintes digitales sur papier d'aluminium de la partie 1 et placez-en une dans chacune des solutions dans les boîtes de Pétri (voir figure 6).

5. Attendez cinq minutes, puis retirez les feuilles d'aluminium des solutions à l'aide d'une pince à épiler. Laissez sécher les feuilles (l'éthanol s'évapore relativement vite) ou utilisez un sèche-cheveux pour accélérer le processus.

6. Observez les empreintes digitales teintées dans une boîte en carton sombre ou dans une pièce sombre sous lumière UV (voir la figure 7).

Discussion

Discutez de certaines des questions suivantes en classe :

• Que se passe-t-il lorsque vous versez de l'éthanol sur le papier filtre coloré ?
• Pour que cette expérience fonctionne, le colorant doit contenir à la fois des composants polaires et non polaires. Pourquoi ?
• À quoi ressemble l'empreinte digitale sous la lumière UV ?
• Pourquoi l'empreinte digitale est-elle fluorescente sous la lumière UV ?

Explication

Lorsque le papier filtre en surbrillance entre en contact avec de l'éthanol, le colorant fluorescent du stylo surligneur se diffuse du papier dans la solution. Pour se dissoudre dans l'éthanol (une molécule polaire), le colorant doit contenir certains composants polaires. Pour colorer l'empreinte digitale de la superglue (comprenant des polymères de cyanoacrylate d'éthyle non polaires), le colorant doit également avoir des composants non polaires. Un surligneur Herlitz®, par exemple, ne tâcherait pas les empreintes digitales, car le colorant (pyranine) est polaire (Ducci & Oetken, 2018).

Une fois que l'éthanol s'évapore de la feuille d'aluminium et que l'empreinte digitale est colorée avec le colorant, l'empreinte digitale fluorescencera lorsqu'elle sera irradiée avec une lumière UV. En effet, le colorant contient des molécules fluorescentes qui absorbent la lumière d'une certaine longueur d'onde (comme la lumière UV) et la réémettent à une longueur d'onde plus longue, comme le jaune, l'orange ou le rose dans le spectre visible. Ce n'est pas particulièrement visible à la lumière du jour, mais c'est plus évident sous lumière UV.