(PhysOrg.com) -- Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont développé un prototype de capteur sans fil capable de détecter des traces d'un ingrédient clé présent dans de nombreux explosifs.

Le dispositif, qui utilise des nanotubes de carbone et est imprimé sur du papier ou un matériau semblable à du papier à l'aide de la technologie jet d'encre standard, pourraient être déployés en grand nombre pour alerter les autorités de la présence d'explosifs, tels que les engins explosifs improvisés (EEI).

"Ce prototype représente une étape importante vers la production d'un système sans fil intégré pour la détection d'explosifs, " a déclaré Krishna Naishadham, un chercheur principal qui dirige les travaux au Georgia Tech Research Institute (GTRI). « Il intègre un capteur et un dispositif de communication dans un petit package à faible coût qui pourrait fonctionner presque n'importe où.

D'autres types de capteurs de gaz dangereux sont basés sur la fabrication coûteuse de semi-conducteurs et la chromatographie en phase gazeuse, Naishadham a dit, et ils consomment plus d'énergie, nécessitent une intervention humaine, et ne fonctionnent généralement pas à des températures ambiantes. Par ailleurs, ces capteurs n'ont pas été intégrés à des dispositifs de communication tels que des antennes.

Le composant sans fil pour communiquer les informations du capteur - une antenne légère et résonnante - a été imprimé sur du papier photographique à l'aide de techniques à jet d'encre conçues par le professeur Manos Tentzeris de la Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. Tentzeris collabore avec Naishadham au développement du dispositif de détection.

Le composant de détection, à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés (CNT), a été fabriqué et testé pour la sensibilité de détection par Xiaojuan (Judy) Song, un chercheur du GTRI. L'appareil repose sur des matériaux en nanotubes de carbone optimisés par Song.

Une présentation sur cette technologie de détection a été donnée en juillet au IEEE Antennas and Propagation Symposium (IEEE APS) à Spokane, Lavage., par Hoseon Lee, un doctorat étudiant à l'École de génie électrique et informatique co-dirigé par Tentzeris et Naishadham. L'article a reçu le prix de la mention honorable dans le cadre du concours du meilleur article étudiant lors du symposium.

Ce n'est pas le premier capteur d'ammoniac imprimé à jet d'encre qui a été intégré à une antenne sur papier, dit Tentzeris. Son groupe a produit un capteur intégré similaire l'année dernière en collaboration avec le groupe de recherche de C.P. Wong, qui est professeur à Regents et titulaire de la chaire du Smithgall Institute à la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech.

"La différence fondamentale est que ce nouveau capteur CNT possède une sensibilité considérablement améliorée aux concentrations d'ammoniac minuscules, », a déclaré Tentzeris. « Cela devrait permettre aux premières applications pratiques de détecter des traces de gaz dangereux dans des environnements opérationnels difficiles à l'aide d'appareils imprimés à jet d'encre. »

Tentzeris a expliqué que la clé de l'impression des composants, circuits et antennes réside dans de nouvelles « encres » contenant des nanoparticules d'argent dans une émulsion pouvant être déposée par l'imprimante à basse température, environ 100 degrés Celsius. Un processus appelé sonication permet d'obtenir une viscosité et une homogénéité optimales de l'encre, permettant un dépôt de matériau uniforme et permettant une efficacité de fonctionnement maximale pour les composants à base de papier.

"L'impression à jet d'encre est peu coûteuse et pratique par rapport à d'autres technologies telles que la gravure humide, », a déclaré Tentzeris. « En utilisant les encres appropriées, une imprimante peut être utilisée presque partout pour produire des circuits et des composants personnalisés, remplaçant les approches traditionnelles de salle blanche.

Les matériaux à faible coût, tels que le papier photographique épais ou les plastiques comme le polyéthylène téréphtalate, peuvent être rendus résistants à l'eau pour assurer une plus grande fiabilité, il ajouta. L'impression de composants à jet d'encre peut également utiliser des matériaux organiques flexibles, tels que les polymères à cristaux liquides (LCP), qui sont connus pour leur robustesse et leur résistance aux intempéries. Les composants résultants sont de taille similaire aux composants conventionnels, mais peuvent se conformer et adhérer à presque toutes les surfaces.

Naishadham a expliqué que les mêmes techniques à jet d'encre utilisées pour produire des composants RF, des circuits et des antennes peuvent également être utilisés pour déposer les nanotubes de carbone fonctionnalisés utilisés pour la détection. Ces structures cylindriques à l'échelle nanométrique, d'environ un milliardième de mètre de diamètre, ou 1/50, 000e de la largeur d'un cheveu humain - sont fonctionnalisés en les enduisant d'un polymère conducteur qui attire l'ammoniac, un ingrédient majeur trouvé dans de nombreux engins explosifs improvisés.

La sonication des nanotubes de carbone fonctionnalisés produit une encre à base d'eau uniforme qui peut être imprimée côte à côte avec des composants RF et des antennes pour produire un nœud de capteur sans fil compact.

"Les nanotubes de carbone optimisés sont appliqués comme un film de détection, avec une fonctionnalisation spécifique conçue pour un gaz ou un analyte particulier, ", a déclaré la chanson. « Le capteur GTRI détecte des traces d'ammoniac généralement trouvées à proximité d'engins explosifs, et il peut également être conçu pour détecter des gaz similaires dans le ménage, environnements de soins de santé et industriels à des niveaux de concentration très faibles.

Le capteur a été conçu pour détecter l'ammoniac à l'état de traces - aussi bas que cinq parties par million, a dit Naishadham.

L'ensemble de détection intégré résultant peut potentiellement détecter la présence de traces de matières explosives à distance, sans mettre en danger des vies humaines. Cette approche, appelé détection de distance, implique l'utilisation de la technologie RF pour identifier les matières explosives à une distance relativement sûre. L'équipe GTRI a conçu le dispositif pour envoyer une alerte au personnel à proximité lorsqu'il détecte de l'ammoniac.

Les nœuds de capteurs sans fil nécessitent une puissance relativement faible, qui pourraient provenir d'un certain nombre de technologies, y compris les batteries à couche mince, des cellules solaires ou des techniques de récupération d'énergie et de récupération d'énergie. En collaboration avec les groupes de Tentzeris et Wong, Le GTRI étudie des moyens de faire fonctionner le capteur de manière passive, sans aucune consommation d'énergie.

« Nous nous concentrons sur la détection des personnes engagées dans des missions militaires ou humanitaires et d'autres situations dangereuses, », a déclaré Naishadham. « Nous pensons que ce sera possible, et rentable, déployer un grand nombre de ces détecteurs sur des véhicules ou des robots dans toute une zone d'engagement militaire.