Des bandes répétées de plus grande densité donnent à ce faisceau de cristaux photoniques de nanofibres de carbone une couleur caractéristique. Lorsque les fibres poreuses absorbent les produits chimiques, ils changent de couleur, faisant du matériau un capteur optique sensible pour les vapeurs chimiques. Crédit :Timothy Kelly, UCSD Chimie et Biochimie
Un nouveau type de capteur pourrait avertir les secouristes lorsque les filtres à charbon des respirateurs qu'ils portent pour éviter d'inhaler des vapeurs toxiques sont devenus dangereusement saturés.
Dans un récent numéro de la revue Matériaux avancés , une équipe de chercheurs de l'Université de Californie, San Diego et Tyco Electronics décrivent comment ils ont fabriqué les nanostructures de carbone et démontrent leur utilisation potentielle en tant que microcapteurs pour les composés organiques volatils.
Les premiers intervenants se protègent de telles vapeurs, dont la composition est souvent inconnue, en respirant à travers une cartouche remplie de charbon actif – un masque à gaz.
Les toxines en suspension dans l'air adhèrent au charbon du filtre, piéger les matières dangereuses.
Lorsque les filtres deviennent saturés, les produits chimiques commenceront à passer. Le respirateur peut alors faire plus de mal que de bien en procurant une illusion de sécurité. Mais il n'y a pas de moyen facile de déterminer quand le filtre est épuisé. Les protocoles de sécurité actuels basent le moment des changements de filtre sur la durée pendant laquelle l'utilisateur a porté le masque.
"Les nouveaux capteurs fourniraient une lecture plus précise de la quantité de matière réellement absorbée par le carbone dans les filtres, " a déclaré le chef d'équipe Michael Sailor, professeur de chimie et de biochimie et de bio-ingénierie à l'UC San Diego. "Parce que ces nanofibres de carbone ont les mêmes propriétés chimiques que le charbon actif utilisé dans les respirateurs, ils ont une capacité similaire à absorber les polluants organiques.
Les particules de microcapteurs à cristaux photoniques poreux aux extrémités des fibres optiques peuvent détecter les polluants organiques. Crédit :Brian King, UCSD Chimie et Biochimie
L'équipe de Sailor a assemblé les nanofibres en structures répétitives appelées cristaux photoniques qui reflètent des longueurs d'onde spécifiques, ou couleurs, de la lumière. Les écailles des ailes du papillon Morpho, qui donnent à l'insecte sa brillante coloration irisée, sont des exemples naturels de ce type de structure.
Les capteurs sont également d'une couleur irisée, plutôt que noir comme le carbone ordinaire. Cette couleur change lorsque les fibres absorbent les toxines – une indication visible de leur capacité à absorber des produits chimiques supplémentaires.
L'agence qui certifie les respirateurs aux États-Unis, l'Institut national de la sécurité et de la santé au travail, a longtemps cherché un tel capteur, mais les exigences de conception pour un minuscule, sensible, appareil peu coûteux qui nécessite peu de puissance, se sont avérés difficiles à rencontrer.
Les matériaux que l'équipe a fabriqués sont très fins – moins de la moitié de la largeur d'un cheveu humain. Le groupe de Sailor a déjà placé des capteurs photoniques similaires sur les extrémités de fibres optiques de moins d'un millimètre de diamètre et a montré qu'ils peuvent être insérés dans des cartouches de respirateur. Et les cristaux sont suffisamment sensibles pour détecter des produits chimiques tels que le toluène à des concentrations aussi faibles qu'une partie par million.
