Des capteurs doublement chevelus pour la détection d'armes chimiques

Publié par Redbran le 03/10/2020 à 13:00
Source: CNRS INC
Détecter la présence d'explosifs ou de composés utilisés comme arme chimique directement dans l'atmosphère est un défi technologique bien actuel. Il repose sur la capacité de mesurer des concentrations très faibles de ces produits. Une solution prometteuse consiste à fonctionnaliser des capteurs de type microlevier, un minuscule bras mince et plat de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). Des chercheurs du NS3E (ISL/CNRS/UNISTRA) et de l'ICPEES (CNRS/Université de Strasbourg) ont réussi à fonctionnaliser les deux faces de tels leviers avec des nanotubes de dioxyde de titane (Le dioxyde de titane est une substance composée d'oxygène et de titane.). Une prouesse technologique qui augmente la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) active de ces capteurs d'un facteur 343. Publiés dans la revue Nanoscale, ces travaux ouvrent la voie à une détection ultra-fine d'un large spectre de composés chimiques toxiques ou explosifs directement dans 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 avec l'altitude, il est nécessaire de...) ambiant.


© Guillaume Thomas

Le risque d'exposition à des composés chimiques très toxiques, comme ceux utilisés comme arme chimique (Une arme chimique est une arme utilisant des produits chimiques, toxiques pour les êtres humains. L'arme peut être létale ou simplement neutralisante, et peut se révéler toxique pour la faune et la...), s'accroît constamment et il devient urgent de protéger efficacement les forces armées déployées sur le théâtre des opérations extérieures mais aussi les populations civiles faces à ces menaces. Parmi ces composés, on trouve les composés organophosphorés (OP) qui sont des molécules organiques contenant une liaison carbone-phosphore et dont certaines sont très toxiques et peuvent être utilisées comme arme de destruction massive (Le mot massif peut être employé comme :). Les moyens classiques de détection tels que la chromatographie en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse, chromatographie en phase liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) et spectrométrie de mobilité ionique utilisées depuis plusieurs décennies pour la détection des organophosphorés et d'autres composés toxiques sont malheureusement lents, couteux et ne permettent pas de détection in situ et en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel de très faibles concentrations dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). Les générations futures de capteurs chimiques visant à protéger militaires et civiles devront être au contraire économiques, portables, rapides, sensibles et sélectives. Réunir tous ces attributs au sein d'un même capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une...) relève de l'exploit.

Les capteurs micro-gravimétriques de type microlevier constituent une voie très prometteuse à l'étude depuis une dizaine d'années. Ces capteurs ultrasensibles initialement conçus pour les techniques de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie...) à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) atomique consistent en un bras très mince et plat de silicium, le microlevier, qui vibre à une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de...) donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.). Ils sont capables de détecter la présence de composés chimiques à de très faibles concentrations en phase vapeur () et liquide par adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers...) des molécules à la surface du microlevier. Le principe est simple: l'adsorption d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) cible sur la surface du levier en change la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) et donc la fréquence de vibration ce qui génère un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis...) de détection. Pour améliorer la sensibilité et la sélectivité chimique de ces capteurs, une des principales stratégies consiste à augmenter la surface active du levier en la décorant d'une couche fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui,...) de nanotubes sur laquelle viennent s'adsorber les molécules ciblées. Cependant, les limites techniques et technologiques des procédés utilisés n'ont jusqu'ici permis de décorer avec tels cheveux qu'une des deux surfaces du capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de...), l'autre restant inexploitée.

Des chercheurs du laboratoire NS3E (CNRS/ISL/Université de Strasbourg), en collaboration avec l'ICPEES (CNRS/Université de Strasbourg), ont réussi à dépasser cette limite et ont nanostructuré les deux faces d'un microlevier commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.) avec des nanotubes de dioxyde de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) (TiO2) organisés et orientés verticalement. Leur stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :), basée sur un procédé en une seule étape, augmente la surface active du capteur par un facteur de 343, permettant ainsi de capturer un plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de molécules cibles. Non seulement ces travaux rendent possible l'exploitation des deux faces du microlevier pour en améliorer la réponse, la sensibilité et la limite de détection, mais ils ouvrent également sur de nouvelles perspectives en termes de détection chimique non invasive et directement exploitable in situ.


Microlevier à deux faces nanostructurées et fonctionnalisées. © Guillaume Thomas

Référence:

Guillaume Thomas, Geoffrey Gerer, Laurent Schlur, Fabien Schnell, Thomas Cottineau, Valérie Kellerb and Denis Spitzer.
Double side nanostructuring of microcantilever sensors with TiO2-NTs as a route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) to enhance their sensitivity.
Nanoscale 2020.
DOI: 10.1039/d0nr01596b.

Contacts:

- Guillaume Thomas - Nanomatériaux pour les Systèmes Sous Sollicitations Extrêmes - French-German Research Institute of Saint-Louis - guillaume.thomas at isl.eu

- Valérie Keller - 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...) de Chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...) et Procédés pour l'Energie, l'Environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques...) et la Santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.) - Université de Strasbourg (L’université de Strasbourg (UDS) est une université française située à Strasbourg en Alsace. Son origine remonte à la création du gymnase Jean-Sturm en...) - vkeller at unistra.fr

- Denis Spitzer - denis.spitzer at isl.eu

- Stéphanie Younès - Responsable Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...) - Institut de chimie du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) - inc.communication at cnrs.fr

- Anne-Valérie Ruzette - Chargée scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
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