DS01 - Gestion sobre des ressources et adaptation au changement climatique

Pour la Surveillance de la qualité de l'eau – 4WATER

Un capteur bas coût pour la surveillance de la qualité de l'eau

Ce projet vise à développer une première génération (preuve de concept) de capteurs de qualité de l'eau à faible coût basés sur des transistors à effet de champ à nanotubes de carbone. On ciblera dans un premier temps la mesure du pH, ainsi que la concentration en oxygène dissous, NH4+ et NO3-.

Enjeux et objectifs

La crise de l'eau est le premier risque mondial en termes d'impact sur la société, comme annoncé par le Forum économique mondial en janvier 2015 [1]. En effet, les eaux souterraines sont une ressource rare car elles ne représentent que 0,3% des réserves totales d'eau douce de la planète. Et déjà, 663 millions de personnes - 1 sur 10 - n'ont pas accès à l'eau potable et 2,4 milliards de personnes - 1 sur 3 - n'ont pas accès à un assainissement adéquat (dont 1/3 de toutes les écoles)[2,3], ce qui s'est avéré fortement impacter la qualité de l'eau locale et la santé de la population [4] Même lorsque l'eau potable est accessible, il peut y avoir une grande variabilité dans sa composition en fonction de nombreux facteurs environnementaux et humains [5], ce qui peut la rendre sporadiquement insalubre. Malgré cela, on sait peu de choses sur ces variabilités et ces interactions car aucun suivi global et permanent de ces ressources en eau douce. D'où l'objectif de cette proposition de développer une nouvelle solution de surveillance de la qualité de l'eau à faible coût et à plusieurs analytes. <br /> <br />Une vidéo descriptif du projet est disponible ici : https://iramis.cea.fr/Phocea/Video/index.php?id=80 <br /> <br /> <br />1. Forum économique mondial. (2015). Rapport 2015 sur les risques mondiaux. <br />2. Programme conjoint de surveillance de l'Organisation mondiale de la santé et de l'UNICEF (JMP). (2015) Progrès en matière d'eau potable et d'assainissement, mise à jour 2015 et évaluation des OMD. <br />3. Estimations du Bureau du recensement des États-Unis. (2015). Horloge des États-Unis et de la population mondiale. <br />4. Contribution de la pollution de l'eau due à un assainissement et à une qualité de logement inadéquats aux maladies diarrhéiques dans les quartiers d'habitation à bas prix du Cap, en Afrique du Sud. Thashlin Govender, Jo M. Barnes, Clarissa H. Pieper, Am J Public Health. 2011 juillet ; 101(7) : e4–e9. <br />5. Variabilité spatiale et saisonnière des caractéristiques de la qualité de l'eau d'une zone humide éphémère. Chad J. Boeckman et Joseph R. Bidwell Proc. Oklahoma Acad. Sci. 87 : pp 45-54 (2007)

La plate-forme de détection sera basée sur un transistor à effet de champ à nanotubes de carbone qui sera utilisé pour la transduction. Nous développerons ensuite des couches de fonctionnalisation qui rendent cette plateforme sensible sélective aux analytes ciblés. Pour la fabrication de ces capteurs, un dépôt par jet d'encre sera utilisé ce qui nécessitera le développement de diverses encres (pour les nanotubes et la fonctionnalisation).
Certaines de ces encres contiendront une suspension colloïdale à base de matières minérales exfoliées. Nous étudierons donc une telle suspension d'un point de vue structurel.
Enfin, nous développerons une carte mère d'acquisition pour permettre le premier prototype autonome.

* Divers matériaux ont été exfoliés et leurs propriétés physico-chimiques étudiées (ainsi que leur mélange avec des polymères).
* Diverses encres CNT ont été formulées pour la fabrication de CNT-FET
* De nouveaux CNT-FET ont été produits et fonctionnalisés.
* Les réponses du capteur au pµH et à d'autres analytes ont été mesurées (résultats soumis pour publication)
* 2 thèses seront soutenues en décembre 2021.

* Phase lamellaire de nanofeuillet inorganique démontrée (article dans PNAS) ;
* L'ajout de polymères aux suspensions de nanofeuillets peut avoir des résultats opposés ;
* Des travaux théoriques ont été effectués pour expliquer un tel comportement ;
* Des formulations pour le dépôt de couche de fonctionnalisation ont été réalisées (brevet déposé) ;
* Les premiers capteurs ont été produits qui ont montré une bonne réponse au pH.

BREVET:
1) Method for protecting air-sensitive or evaporation-sensitive objects, WO/2021/089957: patentscope.wipo.int/search/fr/detail.jsf


PUBLICATIONS:
1) « Isotropic, nematic, and lamellar phases in colloidal suspensions of nanosheets. » P. Davidson, C. Penisson, C. Doru, J.C.P. Gabriel, Proc. National. Acad. Sc. 201802692 (2018). doi.org/10.1073/pnas.1802692115

2) « Methods for dispersing carbon nanotubes for nanotechnology applications: liquid nanocrystals, suspensions, polyelectrolytes, colloids and organization control. » S Manzetti, JCP Gabriel, International Nano Letters 9 (1), 31-49 (2019) doi.org/10.1007/s40089-018-0260-4

3) « Destabilization of the Nematic Phase of Clay Nanosheet Suspensions by Polymer Adsorption » Karin El Rifaii, Henricus H. Wensink, Thomas Bizien, Jean-Christophe P. Gabriel, Laurent Michot, Patrick Davidson, Langmuir 36(42) 12563–12571 (2020), doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02084

4) « Fine tuning of the structural colors of photonic nanosheet suspensions by polymer doping » Karin El Rifaii, Henricus H. Wensink, Claire Goldmann, Laurent Michot, Jean-Christophe P. Gabriel, Patrick Davidson, Soft Matter 17(41) 9280-9292 (2021). doi.org/10.1039/d1sm00907a

La crise de l’eau le risque #1 quant à son impact sur la société d’après le « Forum de l’économie mondiale » (01/2015) [1]. Les ressources en eau douce de surface ne représentent que 0,3% des réserves mondiales. Déjà 663 million d’humains n’ont pas accès à de l’eau potable et 2,4 milliards n’ont pas de sanitaires adéquats [2,3], ce dernier point ayant un impact fort sur la qualité des eaux douces locales et donc sur la santé des populations [4]. Même lorsque de l’eau potable est disponible, il peut y avoir une variation temporelle de sa composition en fonction de facteurs humains et environnementaux, qui rendent sporadiquement l’eau non potable [5]. Malgré ceci, la dynamique de cette variabilité et le rôle de ces différents facteurs sont mal connus car il n’existe pas de suivi permanent. Les raisons en sont expliquées dans le projet et une solution de surveillance permanente, basée sur un capteur bas cout, multi-cibles est proposée.
1. World Economic Forum. (2015). Global Risks 2015 Report.
2. World Health Organization and UNICEF Joint Monitoring Programme (JMP). (2015) Progress on Drinking Water and Sanitation, 2015 Update and MDG Assessment.
3. United States Census Bureau Estimates. (2015). United States and World Population Clock.
4. Contribution of Water Pollution From Inadequate Sanitation and Housing Quality to Diarrheal Disease in Low-Cost Housing Settlements of Cape Town, South Africa. Thashlin Govender, Jo M. Barnes, Clarissa H. Pieper, Am J Public Health. 2011 July; 101(7): e4–e9.
5. Spatial and Seasonal Variability in the Water Quality Characteristics of an Ephemeral Wetland. Chad J. Boeckman and Joseph R. Bidwell Proc. Okla. Acad. Sci. 87: pp 45-54 (2007)

Coordinateur du projet

Monsieur Jean-Christophe Gabriel (Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LPS Laboratoire de Physique des Solides
LPICM Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces
Phenix PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX
HEMERA HEMERA
CEA/DRF/IRAMIS/NIMBE Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie

Aide de l'ANR 655 966 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 42 Mois

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