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Posté par Michel le Mercredi 30/05/2012 à 12:00
Un détecteur d'explosifs s'inspirant des antennes d'un papillon
Imiter les antennes d'un papillon de nuit, le Bombyx du Murier, pour concevoir un système de détection d'explosifs aux performances inégalées, telle est la prouesse réalisée par une équipe de l'unité « Nanomatériaux pour systèmes sous sollicitations extrêmes » (CNRS / Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est...) franco-allemand de recherches de Saint-Louis), en collaboration avec le Laboratoire des matériaux, surfaces et procédés pour la catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en général en quantité beaucoup...) (CNRS / Université de Strasbourg). Constitué d'un micro-levier en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) portant près de 500 000 nanotubes alignés en dioxyde de titane (Le dioxyde de titane est une substance composée d'oxygène et de titane.), ce dispositif est capable de détecter des concentrations de trinitrotoluène (TNT) de l'ordre de 800 ppq (1) (soit 800 molécules d'explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors de leur transformation, de dégager en un temps très court, un grand...) parmi 10^15 molécules d'air), améliorant ainsi d'un facteur mille le seuil de détection atteint jusqu'à présent. Ce concept innovant pourrait aussi servir à détecter des drogues, des agents toxiques ou des traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission...) de polluants organiques. Ces travaux ont été publiés le 29 mai 2012 dans la revue Angewandte Chemie.

La détection efficace d'explosifs tels que le trinitrotoluène (TNT) constitue un défi difficile en matière de sécurité. En effet, ces composés sont très peu volatils, et pour les détecter à distance, il faut des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure,...) extrêmement sensibles. Les systèmes actuels détectent des concentrations de l'ordre de 1 ppb (2) (une molécule pour 10^9 molécules d'air), performance qui peut s'avérer insuffisante pour assurer la sécurité d'un aéroport, par exemple. Or, de nombreux animaux ont un odorat pouvant descendre bien en dessous de ce seuil. Parmi ceux-ci, le Bombyx du Murier (Bombyx mori), un papillon de nuit capable de réagir à la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste...) de seulement quelques molécules de phéromone. Ses antennes sont composées de brins d'une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) proche du millimètre, sur lesquels sont placés un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de sensilles, de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) petits brins de taille micrométrique directement reliés aux neurones sensoriels. C'est cette structure qu'ont voulu imiter les chercheurs.


Vue d'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) du micro-levier nanostructuré par des nanotubes alignés de dioxyde de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.)
© Fabien Schnell/NS3E

Le système qu'ils ont mis au point (Graphie) est constitué d'un micro-levier en silicium de 200 microns de long pour 30 de large. Ce support a été nanostructuré par environ 500 000 nanotubes de dioxyde de titane alignés verticalement. Ces nanostructures ont pour but de multiplier d'environ un facteur 100 la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) du micro-levier, et d'augmenter d'autant les chances de capturer les molécules recherchées. La mise en vibration du micro-levier est le test permettant de savoir si l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air...) ambiant contient des traces de TNT et si ces molécules ont été capturées par le dispositif. En effet, le micro-levier possède une fréquence de résonance propre qui est modifiée de façon spécifique lorsqu'il absorbe des molécules d'explosif.

Pour tester les performances de ce dispositif, les chercheurs ont libéré de façon contrôlée de très faibles quantités de TNT. Ainsi, ils ont pu établir que la sensibilité de ce dispositif était de 800 ppq (800 molécules pour un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui...) de milliards de molécules (10^15)). Aucun dispositif actuel ne peut détecter d'aussi faibles concentrations d'explosifs. De telles performances s'approchent de celles des chiens entraînés.

Un travail de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) et développement est encore nécessaire avant d'obtenir un appareil facilement utilisable à partir de ces leviers nanostructurés. L'une des prochaines étapes est de concevoir un dispositif capable de reconnaître de manière spécifique le type d'explosif absorbé. Les scientifiques souhaitent d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité...) et déjà adapter ces micro-leviers pour la détection d'autres explosifs, tels que la pentrite, susceptibles de poser un problème de sécurité en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique,...). Par ailleurs, cette méthode pourrait aussi servir à détecter diverses drogues, qui, tout comme les explosifs, sont très peu volatiles. En matière environnementale, ce dispositif bio-inspiré pourrait permettre de mesurer d'infimes traces de polluants tels que les composés organiques volatils, devenus un problème sanitaire majeur.


Agrandissement sur la forêt de nanotubes de TiO2
© Fabien Schnell/NS3E


Notes:

(1) Le ppq (partie par quadrillion) est utilisé pour mesurer l'abondance d'un élément.

(2) Le ppb (partie par billion) représente une concentration de l'ordre de 10^-9.


Références:

Bio-Inspired Nanostructured Sensor for the Detection of Ultralow Concentrations of Explosives. D. Spitzer, T. Cottineau, N. Piazzon, S. Josset, F. Schnell, S. N. Pronkin, E. R. Savinova, and V. Keller. Angewandte Chemie. 29 mai 2012.


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Source: CNRS