Microleviers bio-inspirés nanostructurés et fonctionnalisés pour la détéction sensible et sélective d'agents chimiques – BIONANODETEC

Pour atteindre ces objectifs de performances, le projet est structuré en cinq tâches principales, (1) Nanostructuration de microleviers avec des nano-bâtonnets /nanotubes de TiO2 et de CuO pour augmenter la sensibilité de détection, (2) Fonctionnalisation des leviers nanostructurés avec des molécules spécifiques possédant une affinité élevée avec les agents organophosphorés (OP), (3) Optimisation de la génération de vapeurs de simulants d’agents OP (quelques dizaines à quelques centaines de ppb), (4) Evaluation des propriétés de détection des leviers nanostructurés et fonctionnalisés vis-à-vis de simulants et d’agents réels et (5) Intégration des leviers nanostructurés et fonctionnalisés dans un dispositif et sur drone.

La nanostructuration de leviers, soit avec un réseau de nano-bâtonnets/nanotubes de TiO2 ou de CuO ont permis d'augmenter la surface des leviers d'un facteur allant de 15 à 100, ce qui permet déjà de capter un nombre de molécules agents organophosphorés accru. De plus, la fonctionnalisation chimique de ces leviers nanostructurés avec certaines fonctions chimiques nous permettent, à l'heure actuelle, d'arriver à des niveaux de détection de simulants d'environ 80 ppb. Les premiers tests de détection révèlent également une excellente sélectivité de détection en présence d'humidité dans l'air.

Les optimisations de nanostructuration en termes de longueur, diamètre des nano-bâtonnets/nanotubes de TiO2 ou de CuO et de fonctions chimiques à greffer devraient encore permettre de diminuer les seuils et d'augmenter la sélectivité de détection pour descendre en dessous des seuils de létalité des agents chimiques organophosphorés.
A terme, nous espérons pouvoir implanter ces systèmes sur des drones dans une logique de détection à distance.

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Il y a actuellement un besoin urgent pour la détection efficace - rapide, ultra sensible et extrêmement sélective - d’agents chimiques de guerre (plus particulièrement d’agents OrganoPhosphorés OP), que ce soit dans le cas d’attaques terroristes ou dans le cadre d’opérations de post-décontamination pour s’assurer que les lieux soient complètement décontaminés. La sensibilité est déterminée par la concentration en OP la plus faible pouvant être détectée avec confiance. La sélectivité est déterminée par la capacité à ne répondre qu’aux agents chimiques OP ciblés et de les discriminer dans un environnement réel contenant une multitude d’autres substances. La capacité d’une détection rapide permettant l’identification et le control des agents OP est impérative et cruciale dans le contexte dual de la défense et de la protection des populations civiles.

Le projet BIONANODETEC est clairement focalisé sur la détection de quantités ultra-faibles d’OP en phase gazeuse (pour la première fois en dessous de la limite de mortalité, inférieure au ppb pour atteindre des teneurs allant jusqu’au ppt); de telles limites de détection n’ont jamais été atteintes jusqu’à présent). Comparé aux technologies existantes, notre concept est totalement novateur et innovant. Il repose sur un concept de rupture consistant en la nanostrcuturation de microleviers - avec des nanotubes de TiO2 et de CuO verticalement orientés -, permettant de diminuer considérablement le seuil de détection. De plus, en addition à ce concept, nous proposons des progrès et ruptures supplémentaires :
(1) La nanostructuration de microleviers piézoresistifs, permettant une miniaturisation ainsi qu’un prototypage plus aisés des éléments de détection. Ainsi, la première rupture va consister à remplacer des leviers standards i.e. avec lecture optique par faisceau laser, par des microleviers à lecture piézorésistive. De plus, utilisant des leviers piézorésistifs il sera également possible d’augmenter la sensibilité de détection en nanostructurant les deux faces du levier.
(2) Changement d’échelle dans la nanostructuration des leviers piézorésistifs afin d’assurer une production de détecteurs à plus grande échelle. La solution choisie est de combiner la nanostructuration (croissance des nanotubes) au procédé de fabrication des microleviers. Les leviers piézorésisifs seront réalisés à partir de wafers de dimensions centimétriques (4 pouces). Ainsi, plus de 300 microleviers nanostructurés pourront être produits en même temps.
(3) Fonctionalisation chimique des microleviers nanostructurés avec des monocouches auto-assemblées d’oximes afin d’atteindre des sélectivités extrêmement importantes pour la détection d’OP. Des molécules bifonctionnelles originales composées de pyridinaldoxime et pyridinalamidoxime seront élaborées et greffées de manière covalente à la surface des nanotubes de TiO2 and CuO et utilisées comme fonctions de détection spécifique.

En résumé et considérant la menace d’attaques terroristes avec des agents chimiques de guerre, ces nouvelles approches de rupture permettront certainement de surmonter les limitations actuelles en terme de détection ultra sensible – pour la première fois en dessous du seuil de mortalité, inférieur au ppb - et sélective. Le projet est réellement ambitieux et très challenging. En cas de succès le bénéfice pour société sera extrêmement significatif.