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Ce nanotube a du flair pour l'oxygène

Ce nanotube a du flair pour l’oxygène

par ETH Zurich (SUI)
20 mars 2025
en Nanotechnologie, Technologie

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 matériau du capteur est basé sur un composite de nanotubes de carbone et de dioxyde de titane (TiO2). Un colorant (photosensibilisateur) capte la lumière verte et rend le matériau du capteur sensible à l'oxygène.
Le matériau du capteur est basé sur un composite de nanotubes de carbone et de dioxyde de titane (TiO2). Un colorant (photosensibilisateur) capte la lumière verte et rend le matériau du capteur sensible à l’oxygène. (Illustration : Bezdek Gruppe / ETH Zurich)

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.

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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.

Installation avec quatre unités de dosage (à gauche), qui alimentent des mélanges de gaz à teneur variable en oxygène dans la chambre de mesure éclairée en vert avec le capteur (à droite)
Installation avec quatre unités de dosage (à gauche), qui alimentent des mélanges de gaz à teneur variable en oxygène dans la chambre de mesure éclairée en vert avec le capteur (à droite). (Image : Functional Coordination Chemistry Group / ETH Zurich)

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

La lumière verte active le capteur : le photosensibilisateur transfère une charge au nanotube équipé de dioxyde de titane. Il devient alors sensible à l'oxygène. 
La lumière verte active le capteur : le photosensibilisateur transfère une charge au nanotube équipé de dioxyde de titane. Il devient alors sensible à l’oxygène. (Image : Functional Coordination Chemistry Group / ETH Zurich)

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.

L'oxygène modifie la résistance électrique du capteur activé. Cela permet de déterminer la concentration d'oxygène.  
L’oxygène modifie la résistance électrique du capteur activé. Cela permet de déterminer la concentration d’oxygène.  (Image : Functional Coordination Chemistry Group / ETH Zurich)

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

Tags: capteurgaznanotubeoxygene
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L'École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ), fondée en 1855, est l'une des institutions académiques les plus prestigieuses au monde dans le domaine des sciences et technologies. Cette université publique suisse, surnommée "ETH" ou "Poly", a forgé sa réputation d'excellence à travers plus de 165 ans d'histoire. L'institution compte aujourd'hui environ 19 800 étudiants, dont 4 000 doctorants, provenant de plus de 120 pays. Son excellence académique est attestée par ses 21 lauréats du prix Nobel, dont le plus célèbre est Albert Einstein. L'ETH Zurich concentre ses recherches sur quatre axes stratégiques majeurs pour 2021-2024 - Données et Information : Intelligence artificielle, digitalisation et cybersécurité - Santé et Médecine : Technologies médicales innovantes et recherche biomédicale - Matériaux et Technologies de Fabrication : Développement de matériaux durables et processus de production avancés - Responsabilité et Durabilité : Approche multidisciplinaire des défis environnementaux L'institution se distingue par sa capacité à transformer la recherche en innovations concrètes : - Plus de 355 spin-offs créées depuis 1996 - 90 demandes de brevets et 200 rapports d'invention annuels - Forte collaboration avec l'industrie et développement de technologies de pointe L'ETH Zurich renforce actuellement sa position dans le domaine de l'intelligence artificielle, notamment à travers la création du Swiss National AI Institute (SNAI) en collaboration avec l'EPFL. Cette initiative vise à développer le premier modèle d'IA suisse et à former les futurs experts en intelligence artificielle, s'appuyant sur une infrastructure de calcul de pointe comprenant plus de 10 000 superpuces d'IA.

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