Des nez électroniques nanométriques sont à l’horizon
Imaginez un appareil de la taille d’un grain de sable qui est capable d’analyser l’environnement autour de lui, de reconnaître sa composition chimique, et d’en faire rapport à un système de surveillance. C’est le concept des nez électroniques à l’échelle nanométrique – des dispositifs électroniques miniatures qui imitent le système olfactif des mammifères et des insectes.
Une équipe internationale de chercheurs a franchi une nouvelle étape vers cette vision et a démontré un nouveau type de capteur reproduisant notre système olfactif. La différence entre leur capteur et ceux existants est l’élément actif de ce nouveau dispositif : un nanofil individuel placé sur une nanoceinture à base de dioxyde d’étain. La diversité nécessaire des éléments sensibles est encodée dans la morphologie de la nanoceinture via des variations longitudinales de sa largeur réalisées au cours de sa croissance ainsi que par la fonctionnalisation de certains segments à l’aide d’un catalyseur au palladium. «Notre approche démontre le potentiel de combiner les protocoles de fabrication « bottom-up » des nanofils avec les méthodes de microfabrication simples des réseaux de détection. En principe, ce dispositif pourrait être réduit à la taille de quelques micromètres et devenir ainsi le plus petit instrument d’analyse», raconte Andrei Kolmakov, professeur agrégé au département de physique de laSouthern Illinois University à Carbondale.
Kolmakov et une équipe de chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology, Rensselaer Polytechnic Institute, Sincrotrone Trieste ainsi que le premier auteur Victor V. Sysoev de Saratov State Technical University, ont publié leurs résultats dans ACS Nano. Probablement le nez électronique le plus simple mais pourtant pleinement opérationnel, ce dispositif est constitué d’un oxyde métallique monocristallin en forme de nanoceinture à géométrie quasi unidimensionnelle. La nanoceinture a été indexé avec un certain nombre d’électrodes de platine de manière à ce que chaque segment de la nanoceinture délimité par deux électrodes définisse un récepteur individuel pour la détection élémentaire des gaz.
«Nous avons établi des contacts électriques vers des dizaines d’électrodes et obtenu un ensemble de capteurs», explique Kolmakov. « En raison de cette variation de la résistance le long de la nanoceinture, le même gaz produira des réponses légèrement différentes, ce qui conduit à la capacité de la reconnaissance par le nanodispositif. En fait, cela est similaire au système olfactif humain où chaque récepteur olfactif n’est pas très sélectif par rapport aux espèces gazeuses. Cependant, chaque récepteur a une sélectivité légèrement différente des autres récepteurs. » Les designs précédents de nez électroniques à base de nanofil ont été réalisés en combinant différents nanofils pour obtenir des réponses distinctes. Cela voulait dire qu’ils étaient plus complexes, coûteux et fragiles par rapport à ce nouveau design reposant sur un seul nanofil.
«Notre avancée dans ce domaine de fabrication peut être comparé avec le développement de l’électronique intégrée comparativement aux circuits basés sur des composants électroniques individuels», explique Kolmakov. « Dans notre cas, la fonctionnalité du capteur principal est intégré dans une nanostructure unique. » L’équipe de recherche a fondé son dispositif sur l’oxyde d’étain. Il s’agit d’un oxyde semi-conducteur largement étudié qui sert traditionnellement comme un matériau de banc d’essai pour la mise en œuvre de nouveaux principes de détection. En utilisant une méthode vapeur-solide classique, les chercheurs ont fait croître une nanoceinture d’oxyde d’étain et effectué un dopage sélectif des segments de sa surface avec des nanoparticules de palladium afin d’améliorer la résistivité de ces segments.
Une application des instruments à base de nez électroniques dans l’industrie alimentaire est le suivi de la qualité des odeurs et des arômes complexes. Pour tester la performance de leur nez électronique dans un tel environnement, les chercheurs ont exposé leur dispositif formé de dix segments uniques aux vapeurs de quatre boissons alcoolisées (vin chaud, vin mousseux, vermouth et brandy). Pour éliminer la forte influence de la teneur en éthanol sur les différentes signaux du capteur, toutes les boissons ont été diluées dans de l’eau distillée afin de normaliser à 10% leur contenu en éthanol. La résistance de l’ensemble des dix segments de la nanoceinture ont été tracées dans un diagramme radar et les résultats ont montré que les résultats sont clairement différents selon la boisson présentée au nez électronique.
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