La surveillance de la qualité de l’air est un enjeu majeur pour la santé publique. Alors que les trackers de fitness portables permettent de suivre de nombreux paramètres de santé, l’accès aux données sur la qualité de l’air reste limité. Les physiciens du ARC ( Centre d’excellence pour les systèmes méta-optiques transformateurs ) travaillent sur une solution innovante : des micro-spectromètres infrarouges portables qui pourraient être intégrés dans des appareils portables.
Cette nouvelle technologie, développée par l’équipe de l’Université de Melbourne utilise un algorithme d’apprentissage automatique et des réseaux de filtres spectraux à métasurface pour créer un microspectromètre (MIMM) capable de détecter la signature infrarouge unique de plusieurs gaz à l’aide d’un seul capteur.
Le prototype, actuellement de la taille d’une boîte d’allumettes, a le potentiel d’être encore plus miniaturisé. Les spectromètres infrarouges traditionnels sont d’excellents détecteurs de gaz, mais ils sont encombrants et généralement réservés aux laboratoires. Les détecteurs portables multi-gaz actuels sont composés de plusieurs systèmes de capteurs volumineux dans un même boîtier, ce qui limite leur utilité.
Des filtres à métasurface pour une miniaturisation efficace
Un filtre à métasurface intégré à un détecteur IR standard permet de résoudre les problèmes de miniaturisation en créant des capteurs à partir de matériaux d’une épaisseur de quelques nanomètres. Les chercheurs du TMOS ont créé un réseau de filtres spectraux à métasurface pour créer un capteur capable de détecter tous les gaz nocifs.
Le réseau de filtres est constitué de nanostructures métalliques sur un substrat de silicium. En faisant varier la périodicité des nanostructures, les caractéristiques spectrales de ces filtres peuvent être ajustées dans la longueur d’onde d’intérêt. Dans cette étude, ils ont démontré son efficacité avec le dioxyde de carbone, le méthane, l’ammoniac et la méthyléthylcétone.
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Vers une application à d’autres problèmes de détection chimique
Selon Jiajun Meng, auteur principal de l’étude, «le microspectromètre est un réseau de filtres à métasurface intégré à une caméra IR commerciale, compact (~ 1 cm3) et léger (~1 g). L’algorithme d’apprentissage automatique est entraîné à analyser les données du microspectromètre et à prédire les gaz présents.»
Kenneth Crozier, chercheur en chef du TMOS, ajoute : «Les prochaines étapes de la recherche consistent à augmenter la sensibilité de l’appareil et à rendre la plateforme plus robuste. Nous sommes enthousiasmés par cette technologie car, avec un peu plus de développement, elle pourra être appliquée à de nombreux autres problèmes de détection chimique (par exemple, les solides et les liquides).»
Article : « Smart mid-infrared metasurface microspectrometer gas sensing system » – DOI: https://www.nature.com/articles/s41378-024-00697-2
