Le nez humain peut distinguer parmi un billion de combinaisons différentes d'odeurs. Toutefois, il y a beaucoup de gaz que notre nez ne peut pas détecter au niveau de sensibilité dont nous avons besoin. C'est là qu'interviennent les capteurs de gaz. Alors que certains des premiers capteurs étaient des animaux, comme les canaris dans les mines de charbon, nous les avons depuis remplacés par des technologies capables de détecter des quantités infimes de produits chimiques dans l'air.

Tout comme notre propre nez, les capteurs de gaz sont essentiels pour la sécurité et le confort. Dans les usines, des capteurs de gaz peuvent alerter les responsables en cas de fuites chimiques ou de processus ne fonctionnant pas correctement. À l'extérieur, ils mesurent les polluants, aider les villes à surveiller la qualité de l'air. Dans les maisons, ils assurent la sécurité des membres de la famille. Les gestionnaires d'immeubles utilisent les mesures des capteurs d'humidité et de température pour maximiser l'efficacité énergétique.

Ces capteurs n'existeraient pas sans une compréhension fondamentale de la chimie et de la physique. Ces connaissances de base aident les scientifiques à comprendre comment et pourquoi les matériaux de détection interagissent avec les produits chimiques gazeux. De nombreux matériaux de pointe sont prometteurs pour une utilisation dans les capteurs, si seulement les scientifiques pouvaient apprendre à mieux les produire et les contrôler.

"Les capteurs sont là où la recherche sur les matériaux rencontre la détection environnementale, " a déclaré Pete Beckman, chercheur au Laboratoire national d'Argonne (ANL) du Département de l'énergie.

Pour jeter les bases de l'innovation, le DOE Office of Science finance des projets et des installations pour les utilisateurs qui soutiennent la recherche sur les capteurs.

Créer les matériaux pour la détection

Comme des nez, les capteurs reposent sur une combinaison de composants pour détecter et donner un sens aux gaz ou aux produits chimiques dans l'air. Chez l'homme, les molécules flottent dans votre nez et se lient à des neurones spéciaux. Les neurones transmettent ensuite le message au cerveau. Dans les capteurs, le matériau à l'intérieur du capteur agit comme un neurone. Lorsque ce matériau interagit avec un produit chimique dans l'air, il peut émettre de la lumière, modifier sa capacité à conduire l'électricité, ou changer de forme. Les matériaux et l'électronique autour du matériau de détection communiquent ce message au "cerveau, " que ce cerveau soit un ordinateur ou un signal d'avertissement comme une sirène.

Développer le système nerveux et le cerveau des capteurs est un travail de science appliquée. La recherche fondamentale comme les travaux des laboratoires de l'Office of Science jette les bases de cette science appliquée. En particulier, cette recherche élargit la compréhension des scientifiques des matériaux eux-mêmes et de la façon de les produire.

Trois types de matériaux de pointe offrent un énorme potentiel d'utilisation dans les capteurs :les nanoparticules, matériaux bidimensionnels (2-D), et les charpentes organométalliques (MOF). Les nanoparticules sont de minuscules particules plus grosses que des atomes, mais agissent fondamentalement différemment des particules plus grosses de la même substance. matériaux 2D, comme le graphène, forment des feuilles d'un seul atome d'épaisseur. Les MOF sont des composés constitués d'ions métalliques reliés entre eux par des connecteurs à base de carbone.

Tous ces matériaux ont des surfaces énormes par rapport à leurs tailles globales. Parce que beaucoup de molécules de gaz peuvent interagir avec leurs surfaces, ils peuvent être sensibles à de petites quantités de produits chimiques. En outre, les scientifiques peuvent transformer tous ces matériaux en une variété de structures. Cette personnalisation pourrait permettre aux chercheurs de créer des matériaux spécialisés pour détecter un produit chimique particulier.

Nanoparticules de sulfure de zinc

La clé pour construire un meilleur capteur réside peut-être dans la fabrication de son matériau de détection à partir de nanoparticules. Malheureusement, il est difficile de fabriquer certaines des nanoparticules les plus prometteuses. Les capteurs d'hydrogène et d'autres gaz utilisent déjà le matériau sulfure de zinc. La production de sulfure de zinc sous forme de nanoparticules pourrait le rendre moins cher et plus efficace. Mais le procédé actuel de production de nanoparticules de sulfure de zinc implique des températures très élevées, pressions, et les produits chimiques toxiques.

Les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du DOE ont étudié une solution moins chère, processus de production de nanoparticules plus efficace. Des chercheurs soutenus à la fois par l'Advanced Manufacturing Office et l'Office of Science du DOE ont découvert que les microbes pouvaient offrir une voie alternative.

Pas n'importe quelle bactérie fera l'affaire. Les scientifiques ont utilisé Thermoanaerobacter, une bactérie qui vit normalement dans des endroits extrêmement chauds sans oxygène. Après avoir ajouté un sucre bon marché et des produits chimiques comprenant du zinc et du soufre, les bactéries ont produit environ trois quarts de livre de nanoparticules de sulfure de zinc. Le processus était 90 pour cent moins cher que les méthodes actuelles.

Cultiver des matériaux 2D

Les matériaux bidimensionnels sont une forme particulière de nanomatériau qui n'a que quelques atomes d'épaisseur. Ils ont tellement de surface par rapport à leur volume qu'ils offrent beaucoup d'espace pour que les molécules de gaz interagissent et sont capables d'en contenir un grand nombre. Mais les matériaux 2D agissent si différemment de leurs homologues "en vrac" normaux que les scientifiques n'ont pas une bonne compréhension de leur croissance. Sans cette compréhension, les fabricants ne peuvent pas toujours en produire des versions de haute qualité.

Pour s'attaquer à ce problème, Les scientifiques de l'ORNL ont exploré une meilleure façon de cultiver du séléniure de gallium (GaSe) en matériau 2D. Pendant qu'ils faisaient pousser le matériau dans un récipient rempli d'argon, ils ont découvert qu'en changeant la température et le débit du gaz, ils pouvaient basculer entre le dépôt et le retrait d'atomes. Mais le simple fait de découvrir comment faire des allers-retours entre les deux états ne leur a pas dit ce qui se passait réellement au niveau chimique.

"Pour visualiser ce que nous faisions dans le laboratoire, nous avions besoin de haute résolution, des installations de pointe ainsi que des outils de diagnostic in-situ, " dit Tolga Aytug, un scientifique de l'ORNL. Pour obtenir ce niveau de précision, l'équipe s'est tournée vers le Center for Nanophase Materials Sciences, une installation utilisateur du Bureau des sciences à l'ORNL. Les outils là-bas les ont aidés à voir comment les processus qu'ils utilisaient pour faire pousser le matériau affectaient sa structure et ses propriétés. Sur la base de ces informations, ils ont affiné leurs méthodes pour obtenir les caractéristiques qu'ils voulaient.

À l'avenir, les scientifiques peuvent être en mesure de combiner divers matériaux 2D en minces, capteurs polyvalents. "La beauté des matériaux 2-D est que vous pouvez empiler les différentes couches ensemble pour faire du matériel artificiel, " dit Kai Xiao, un scientifique de l'ORNL. Ces matériaux artificiels seraient capables de détecter une variété de produits chimiques différents au lieu d'un seul.

Cadres métallo-organiques

Les ions métalliques et les connecteurs à base de carbone des MOF se forment ouverts, structures en forme de cage. Un MOF de seulement quelques pouces de large a une superficie incroyable de 2,5 acres. Cela offre beaucoup d'espace pour les molécules avec lesquelles interagir.

Par conséquent, Les MOF peuvent détecter des niveaux infimes de produits chimiques. Les scientifiques contrôlent les produits chimiques qu'ils souhaitent qu'un MOF détecte en modifiant la taille de ses espaces, sa forme, ou comment ses parties se lient les unes aux autres.

"Pour qu'un capteur à base de MOF fonctionne, il doit être très sélectif et très sensible, " a déclaré Praveen Thallapally, un scientifique du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du DOE.

Un avantage spécifique aux MOF est leur capacité à s'adapter à de nouvelles molécules en modifiant leurs structures. Les scientifiques du PNNL ont découvert qu'un MOF à base de zinc pouvait capturer le cobalt et le cuivre. Lorsque ces métaux ont quitté la molécule, le MOF est revenu à sa structure d'origine. Cela signifie qu'après qu'un produit chimique se soit attaché à un MOF et ait déclenché un capteur, quelqu'un pourrait réinitialiser et réutiliser le capteur sans avoir à remplacer le MOF.

Une grande partie de la recherche en cours sur les MOF se concentre sur la façon de les découvrir et de les construire. Les matériaux de départ traditionnels des MOF sont rigides et difficiles à travailler. En revanche, les polymères (chaînes flexibles de molécules) sont plus faciles à contrôler. Cependant, ils se regroupent généralement en denses, touffes désorganisées. Pour tirer parti des avantages de chacun, scientifiques de l'Université de Californie, San Diego a trouvé un moyen d'utiliser des polymères pour construire des MOF. L'utilisation des deux permet aux chercheurs de combiner la consistance et la grande surface des MOF avec la facilité d'utilisation des polymères. Les chercheurs ont utilisé les matériaux hybrides pour créer des films minces, qui sont généralement utilisés dans les capteurs.

La prochaine percée dans la recherche MOF pourrait provenir de la modélisation informatique. L'utilisation d'essais et d'erreurs pour déterminer quelle structure interagira le mieux avec un produit chimique spécifique peut prendre des années et être très coûteuse. En revanche, de puissants modèles informatiques utilisant l'apprentissage automatique permettent aux scientifiques de trouver le bon matériau en quelques jours.

Les scientifiques du PNNL à la recherche d'un MOF pouvant choisir entre le xénon et le krypton ont collaboré avec le National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du Bureau des sciences au Laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE. Après avoir recherché parmi plus de 120, 000 choix, leur modèle informatique indiquait un matériau à base de calcium qui excellait dans cette tâche.

Connecter le nez au corps

Un bon matériel de détection est essentiel, mais cela ne fonctionnera pas tout seul. Tout comme un nez a besoin d'un corps et d'un cerveau, les matériaux de détection doivent faire partie d'un mécanisme plus vaste. Malheureusement, faire fonctionner ces matériaux ensemble dans un capteur est souvent un défi.

Impression d'encre à nanoparticules

« Encre » constituée de nanoparticules de détection imprimées sur du papier, Plastique, caoutchouc, ou le tissu pourrait permettre aux ingénieurs de créer des capteurs plus petits et plus flexibles.

"Faire des particules est une chose. Mais à partir de ces particules, faire une encre fonctionnelle n'est pas anodin, " a déclaré Pooran Joshi, scientifique de l'ORNL, dans un léger euphémisme.

Une étude de l'ORNL s'est penchée sur la meilleure façon de transformer des nanoparticules à base de cuivre en encre de haute qualité. En projetant une lumière à haute intensité pendant seulement quelques millionièmes de seconde, les scientifiques ont fusionné les nanoparticules sans faire fondre la surface en dessous. Lorsque l'encre à nanoparticules à base de cuivre a fusionné, il a créé une surface imprimée. Les chercheurs ont ensuite utilisé la surface imprimée comme composant d'un capteur de température.

Combiner des nanotubes et des nanocristaux

Les scientifiques savent que les capteurs constitués de nanotubes et de nanocristaux pourraient détecter aussi peu qu'une partie par million d'un gaz - si seulement ils pouvaient faire fonctionner ces deux matériaux ensemble.

Ralu Divan et son équipe de l'ANL ont découvert un moyen d'ajouter des nanocristaux d'oxyde de zinc - qui est déjà utilisé dans les capteurs - aux nanotubes de carbone. Les capteurs qui utilisent les deux ensemble pourraient être beaucoup plus sensibles au méthane que la technologie actuelle. En plaçant les nanocristaux d'oxyde de zinc atome par atome, ils ont créé un mince, couche uniforme au-dessus des nanotubes. Avec ce procédé, les entreprises peuvent contrôler avec précision l'épaisseur et la couverture de l'oxyde de zinc.

Pour examiner les liaisons entre les nanocristaux et les nanotubes, l'équipe s'est appuyée sur le Center for Nanoscale Materials, une installation utilisateur Office of Science à ANL. « Avoir tout au même endroit a permis de gagner beaucoup de temps et nous avons pu aller plus vite que prévu, " dit Divan.

Par conséquent, ils ont développé un capteur capable de détecter des concentrations de méthane beaucoup plus faibles que les précédents. Les opérateurs peuvent l'utiliser à nouveau en quelques secondes au lieu de minutes ou d'heures.

Ce capteur a tellement amélioré la technologie existante qu'en 2016, Le magazine R&D 100 l'a reconnu comme finaliste du R&D 100. L'équipe de recherche travaille maintenant avec le projet Array of Things, une collaboration entre l'Université de Chicago et ANL. Dans le cadre de l'effort visant à collecter des données en temps réel à partir de centaines de capteurs à travers Chicago, l'équipe Array of Things prévoit d'utiliser ces capteurs de méthane à l'avenir.

Des projets tels que l'Array of Things ont le potentiel de transformer les villes en réseaux de capteurs, placer des yeux et des nez numériques dans tout le paysage construit. Mais ces réseaux et technologies ne seraient pas possibles sans une base scientifique solide. Rien ne peut égaler la polyvalence du nez humain, mais la recherche que l'Office of Science soutient aide à combler les lacunes de nos capacités biologiques.