Des chercheurs suisses de l’ETH ont mis au point un capteur peu coûteux composé de nanotubes de carbone, capable de mesurer de manière sélective, efficace et fiable des quantités infimes d’oxygène dans des mélanges gazeux sous l’effet de la lumière. Ce détecteur pourrait être largement utilisé dans l’industrie, la médecine et la surveillance de l’environnement.
L’oxygène est essentiel à la vie et joue un rôle réactif dans de nombreux processus chimiques. Par conséquent, les méthodes qui mesurent avec précision l’oxygène sont pertinentes pour de nombreuses applications industrielles et médicales : Elles analysent les gaz d’échappement des processus de combustion, permettent le traitement sans oxygène des aliments et des médicaments, contrôlent la teneur en oxygène de l’air que nous respirons ou la saturation en oxygène du sang.
L’analyse de l’oxygène joue également un rôle de plus en plus important dans la surveillance de l’environnement. « Cependant, ces mesures nécessitent généralement des appareils encombrants, gourmands en énergie et coûteux, qui ne conviennent guère aux applications mobiles ou à une utilisation continue en extérieur », indique Máté Bezdek, professeur de chimie de coordination fonctionnelle à l’ETH Zurich. Son groupe utilise des méthodes de conception moléculaire pour trouver de nouveaux capteurs pour les gaz environnementaux.
Dans le cas de l’oxygène, le groupe de Máté Bezdek a réussi : Dans une étude publiée dans la revue Advanced Science, les chercheurs ont présenté un capteur haute performance activé par la lumière qui peut détecter avec précision l’oxygène dans des mélanges de gaz complexes et qui possède également les propriétés nécessaires pour être utilisé sur le terrain.
Un capteur polyvalent sans compromis
Lionel Wettstein, doctorant dans le groupe de Bezdek et premier auteur de l’étude, ajoute : « Les méthodes de mesure conventionnelles compromettent souvent une sensibilité élevée au détriment d’autres critères. » Par exemple, il existe des capteurs qui réagissent de manière très sensible à l’oxygène, mais qui consomment beaucoup d’énergie et sont perturbés par des facteurs environnementaux tels que l’humidité. D’autres tolèrent les gaz interférents, mais sont moins sensibles et s’épuisent rapidement. « Les dispositifs stationnaires, les échantillons complexes et les coûts élevés limitent également les applications possibles », précise M. Wettstein.
Le nouveau capteur, en revanche, est un appareil polyvalent et pratique : il est très sensible, peut détecter des molécules d’oxygène parmi un million de particules de gaz et le fait de manière fiable, même à des concentrations plus élevées. Il est également sélectif, c’est-à-dire qu’il tolère l’humidité et d’autres gaz perturbateurs, et il a une longue durée de vie. Enfin, il est minuscule, mais peu coûteux, facile à utiliser et consomme très peu d’énergie.
Ce capteur miniaturisé est donc intéressant pour les appareils portables et les mesures mobiles en temps réel sur le terrain, par exemple pour l’analyse des gaz d’échappement des voitures ou la détection précoce des aliments avariés. Le détecteur convient également à la surveillance continue des lacs, des rivières et des sols à l’aide de réseaux de capteurs distribués. « La teneur en oxygène de ces écosystèmes est un indicateur important de la santé écologique », commente M. Wettstein.
Détection de molécules à l’aide de nanotubes
Afin d’obtenir les propriétés souhaitées, le groupe de Bezdek a spécifiquement conçu le capteur à partir de composants moléculaires. Il appartient à la classe des chimiorésistances : il s’agit de minuscules circuits électriques dotés d’un matériau actif qui interagit directement avec la molécule à analyser, modifiant ainsi sa résistance électrique. « Le grand avantage est que ce signal peut être mesuré très facilement », explique pour sa part M. Bezdek.
Les chercheurs ont choisi un composite de dioxyde de titane et de nanotubes de carbone comme base du matériau du capteur. Le dioxyde de titane peut être utilisé comme résistance chimique, mais il présente l’inconvénient de ne fonctionner qu’à des températures très élevées. « C’est pourquoi nous avons incorporé des nanotubes de carbone dans le matériau composite », poursuit M. Bezdek.
Les nanotubes constituent la plate-forme d’économie d’énergie : ils garantissent que la réaction du capteur a lieu à température ambiante et ne nécessite pas de chauffage. Enfin, pour que le matériau du capteur puisse distinguer de manière fiable l’oxygène des autres gaz, l’équipe s’est inspirée des cellules solaires à colorant, dans lesquelles des molécules de colorant spéciales, appelées photosensibilisateurs, captent l’énergie lumineuse et la convertissent en courant électrique.
Les chercheurs ont transposé ce principe fonctionnel à leur capteur : en présence de lumière verte, le photosensibilisateur transfère des électrons au matériau composite composé de dioxyde de titane et de nanotubes. Cela active le matériau et le rend spécifiquement sensible à l’oxygène. « Contrairement à d’autres gaz, l’oxygène entrave ce transfert de charge dans le capteur activé, ce qui modifie sa résistance », indique M. Wettstein pour résumer la base de la réaction du capteur.
Du laboratoire à l’application sur le terrain
Les chercheurs ont déjà déposé une demande de brevet pour le capteur et sont maintenant à la recherche de partenaires industriels pour poursuivre le développement de la technologie. On estime que les capteurs durables et fiables qui mesurent spécifiquement l’oxygène dans les mélanges gazeux représentent un volume de marché annuel d’environ 1,4 milliard de dollars américains.
L’équipe travaille actuellement à l’extension de son concept de capteur au-delà de l’oxygène pour inclure d’autres gaz environnementaux qui jouent un rôle écologique important. « Notre matériau de détection a une structure modulaire et nous voulons étudier comment la modification de sa composition chimique peut permettre la détection d’autres molécules cibles », dit M. Bezdek.
L’un des thèmes actuels de son groupe est la détection des polluants à base d’azote qui entraînent une surfertilisation dans l’agriculture et polluent le sol et l’eau. « Pour réduire l’empreinte écologique du secteur agricole, nous avons besoin de capteurs qui permettent une fertilisation précise des champs », conclut M. Bezdek.
Légende illustration : Un nanotube de carbone, une couche de dioxyde de titane et un colorant qui transforme la lumière en charge électrique : tels sont les trois modules qui composent l’appareil de mesure de l’oxygène innovant. (Image : Bezdek Group / ETH Zurich)
Wettstein L, Bezdek MJ et al. A / Article : « Dye-Sensitized Sensor for Oxygen Detection under Visible Light » – Advanced Science. doi: 10.1002/advs.202405694
