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Un détecteur d’explosif inspiré par les antennes d’un papillon

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Un nouveau détecteur d'explosif s'inspire de la structure des antennes du bombyx du mûrier, un papillon de nuit. Les performances obtenues en utilisant un microlevier de silicium et des nanotubes de dioxyde de titane repoussent d'un facteur mille les seuils de détection atteints jusque-là. Elles s'approchent même de celles d'un chien entraîné. 

Vue d'ensemble du microlevier nanostructuré par des nanotubes alignés de dioxyde de titane. La fixation de molécule de TNT sur ces tubes modifie la fréquence de résonance du dispositif, trahissant ainsi leur présence. © Fabien Schnell, NS3E

La détection efficace d'explosifs tels que le trinitrotoluène (TNT) constitue un défi en matière de sécurité. Car ces composés, très peu volatils, ne peuvent être détectés à distance qu'avec des capteurs extrêmement sensibles. Les systèmes actuels détectent des concentrations de l'ordre de 1 partie par milliard  (ppb, parts per billion, soit une molécule pour 109 molécules d'air), performance qui peut se révéler 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 mûrier (Bombyx mori), un papillon de nuit capable de réagir à la capture de seulement quelques molécules de phéromone. Ses antennes sont composées de brins d'une longueur proche du millimètre sur lesquels sont placées un grand nombre de sensilles, de tout petits brins de taille micrométrique directement reliés aux neurones sensoriels. C'est cette structure qu'ont voulu imiter les chercheurs de l'unité « Nanomatériaux pour systèmes sous sollicitations extrêmes » (CNRS, Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis, ISL), en collaboration avec le laboratoire des Matériaux, surfaces et procédés pour la catalyse (CNRS, Université de Strasbourg).

Leur système est constitué d'un microlevier 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 multiplient d'un facteur cent la surface du microlevier, augmentant d'autant les chances de capturer les molécules recherchées. C'est la mise en vibration de ce microlevier qui indique la présence de traces de TNT. En effet, sa fréquence de résonance est modifiée de façon spécifique lorsqu'il fixe des molécules d'explosif. Ce nouveau dispositif a été présenté dans la revue Angewandte Chemie.

La forêt de nanotubes de TiO2 captant les molécules de TNT en suspension dans l'air. © Fabien Schnell, NS3E

Une sensibilité approchant celle d'un chien entraîné

Pour tester ses performances, 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 molécules pour 1015 molécules d'air. 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 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 et déjà adapter ces microleviers pour la détection d'autres explosifs, tels que la pentrite.

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 permettrait de mesurer d'infimes traces de polluants tels que les composés organiques volatils (COV), devenus un problème sanitaire majeur.

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