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Nanotechnologies et nanosystèmes

Action « Elaboration et caractérisation de nanocapteurs» - Nanotechnologies

En collaboration avec le laboratoire L2MP de l’ISEN Toulon. Dans le cadre de nos projets de recherche sur les nanotechnologies, nous nous intéressons à l’élaboration et à la caractérisation de nanostructures formées de molécules organiques par différentes techniques en vue de réaliser un capteur organique adaptable et sensible à différents gaz ».

La détection de gaz est d’une importance majeure dans plusieurs domaines tels que l’industrie chimique (détection de gaz toxiques ou explosifs), l’environnement (mesure des gaz polluants), la biologie (étude de la consommation d’O2 de cellules), le développement de nez artificiels (détection de différents composés volatils mélangés). Un besoin de plus en plus important de détecteurs de gaz simples, petits, peu coûteux et rapides se fait donc actuellement sentir, plus encore avec l'essor des nanotechnologies

Dans ce contexte, notre projet en nanotechnologies consiste à élaborer un nanocapteur sensible à divers gaz toxiques ou non. L’intérêt de la technique d’auto-assemblage est la capacité de greffage de molécules organiques avec fonctionnalisation possibles des couches. Cela nous permettra de développer un capteur moléculaire alliant sensibilité (compte tenu de l’épaisseur des couches greffées) et grande souplesse (la possibilité de modifier la molécule greffée en fonction du gaz à détecter) voir coexistence de plusieurs molécules.

Le capteur envisagé dans un premier temps pourra utiliser ce schéma :
Si/SiO/chaîne carbonée de longueur variable/Phénil ou Thiol/molécules réactives au gaz/

La détection repose sur la mesure de la variation de la résistivité électrique et/ou du spectre d’absorption optique d'un film organique en présence du gaz à détecter .
Dans un premier temps, nous travaillerons sur un nano-détecteur sensible ou pas à la présence d’un gaz particulier (méthane). Dans un second temps, nous travaillerons sur la quantification du gaz détecté afin de pouvoir localiser la source d’émission. Une fois ces aspects maîtrisés, les principaux objectifs viseront à développer les propriétés suivantes du capteur :
1) Réactivité (faible temps de réponse)
2) Sélectivité au gaz à détecter
3) Reproductibilité des mesures

• Programme expérimental

a. Elaboration des nanomatériaux par auto - assemblage de molécules.
b. Détermination des propriétés électriques et optiques des couches minces organiques en contact avec du gaz Méthane.
c. Mise en place des bancs de mesures de structuration des états de surface (microscopie AFM), de mesures électriques et optiques.
d. Détermination des caractéristiques des nanocapteurs (sensibilité, temps de réponse, réversibilité, sélectivité).
e. Etude des modifications des couches minces organiques pour améliorer les caractéristiques des nanocapteurs.

• Techniques utilisées

auto-assemblage, microscopie AFM, Spectroscopie UV-Vis, mesures voltampérometriques, photoacoustique…

• Domaines d’applications

Les films de molécules organiques tensioactives obtenus par auto-assemblage sur substrats solides tels que nous les envisageons présentent un grand intérêt de par leur faible épaisseur. Ils peuvent être utilisés pour élaborer de nouveaux types de surface, dites intelligentes ou à propriétés contrôlées, et offrent de nombreuses applications en nanoélectronique, en médecine et pour l’élaboration de surfaces à propriétés spécifiques (i.e. capteurs de gaz).

• Résultats récents

Nous avons pu réaliser 10 échantillons différents sur lesquels nous avons déposés des plots d’or ou d’aluminium. Ces échantillons sont typiquement des empilements Si/SiO2/molécule et les molécules testées sont des phenylaminopropyl-trimethoxysilanes (PhamC3). Ces molécules ont la particularité de disposer de fonctionnalités Phényles qui d’après la littérature sont réactives à l’ammoniac. D’autre part, cette même fonctionnalité permet de mesurer des courants transverses car elles disposent d’un électron libre. Ces premiers essais consistent à réaliser ces monocouches de PhamC3, d’améliorer leur organisation, de déposer des électrodes, et de mesurer les courants électriques.

Les paillasses organiques et acides permettent de nettoyer la surface de Silicium et de préparer la solution de molécule. Des appareils tels que l’ellipsomètre et le goniomètre permettent de vérifier respectivement l’épaisseur de la couche et la bonne organisation des molécules. Les mesures AFM donnent une idée de la topographie de la monocouche.

• Principaux résultats

Nous travaillons sur le protocole d’organisation des PhamC3 sur la surface et nous avons éliminé plusieurs pistes (basse température, solution de Toluène). En revanche l’ajout de 0.01% d’eau en solution accélère la cinétique de greffage des molécules.
Les mesures électriques réalisées sur plots d’aluminium et d’or démontrent la trop forte migration de l’or dans les monocouches qui dénature la conductivité verticale. Nous travaillerons désormais avec des plots d’aluminium en vérifiant leur stabilité à l’oxydation.

Présentation d’un poster à l’EMN04 à l’ESIEE, 20-21 Octobre 2004 [7], sur le thème des nanotechnologies-nanosystèmes..

• Perspectives

-Faire des mesures de diffraction aux rayons X au Laboratoire de Physique du Solide d’Orsay afin de caractériser l’organisation des films déposés pendant ces 2 semaines de manips (préciser la qualité des échantillons).
-Etudier la détection de l’ammoniac (NH3) par les groupements phényles (Narducci).
-Utiliser des molécules à chaîne carbonée plus longue et à tête greffante chlorée pour diminuer les durées de greffage : le choix idéal à partir de la littérature nous oriente vers des molécules Alkyle-1-ényl-trichlorosilane (CH2=CH-(CH)n-SiCl3) avec n=6

• Logiciels

Applications, valorisations et transferts, collaboration européenne à envisager.

Action : « Elaboration d’un capteur hybride par assemblage de protéines neuronales et de molécules organiques » - nanotechnologies

En collaboration avec Le laboratoire de Neuro-Physique Cellulaire (LNPC)- EA 3817 de l’Université René Descartes- Paris V

La stimulation olfactive est déclenchée par la présence de molécules odorantes dans l’air et plus généralement dans les gaz inspirés. Chaque odeur est liée à une ou plusieurs molécules. Ces molécules dissoutes dans la muqueuse nasale stimulent les cellules sensorielles.

En résumé la voie olfactive la plus connue peut être schématisée comme suit :
Stimulus odorants >> Fixation sur des protéines transmembranaires réceptrices spécifiques >> Stimulation de la protéine G (Golf) >> Ouverture des canaux ioniques (Ca2+ et Cl) >> Potentiel récepteur.

Les récepteurs olfactifs sont situés dans une muqueuse qui tapisse une partie des fosses nasales. Elle contient des cellules de soutien, des cellules réceptrices et des neurones bipolaires. Les cellules réceptrices comportent des cils qui baignent dans une substance aqueuse sécrétée par des glandes. Chaque cellule supporte plusieurs dizaines ou centaines de cils. Chaque molécule odorante agit de façon différente selon le type de cellule réceptrice, elle peut provoquer soit une dépolarisation avec transmission d’une excitation, soit une hyperpolarisation déclenchant une inhibition. L’intensité de la stimulation est convertie en fréquence de décharge. Chez les êtres vivants lorsqu’une molécule est détectée par la protéine réceptrice présente sur le cil du nez, un signal électrique est transmis jusqu’au bulbe olfactif. Les signaux électriques convergent alors vers les glomérules qui les centralisent dans un premier temps avant de les transmettre vers le cortex olfactif qui les décode.
Les principaux objectifs du projet de recherche viseront à élaborer et à optimiser les propriétés de réactivité et de reproductibilité d’un nez artificiel sensible aux odeurs. Dans la première phase de réalisation, l’élaboration de ce nez reposera sur la mesure de la variation de la résistivité électrique et/ou du spectre d’absorption optique d'un film organique en présence du gaz à détecter. Dans la deuxième partie du projet, il s’agira de greffer une protéine présente sur le cil du nez afin de capter son signal après son excitation par une molécule de gaz. Nous prévoyons de concevoir un nez hybride constitué d’un capteur dont la surface est modifiée par chimisorption de molécules organiques de type cité plus haut et de protéines.

Ce projet sur le thème des nanotechnologies se déroulera au Laboratoire de Neuro-Physique Cellulaire de l’Université Paris V en collaboration avec le Laboratoire d’Analyse Contrôle et Communication des Systèmes Complexes de l’Ecole Centrale d’Electronique et permettra de mettre au point de tels systèmes dont les applications sont nombreuses (la surveillance alimentaire, la quantification des odeurs, le déminage ….).

• 1ère partie du projet

Nous privilégions l’utilisation de la technique d’ « autoassemblage » car les systèmes formés de molécules autoassemblées sont capables de générer spontanément à partir de leurs composants et dans des conditions données, une architecture moléculaire bien définie. L’intérêt de cette technique est la capacité de greffage de molécules organiques avec une fonctionnalisation possible des couches. Cela nous permettra de développer un capteur moléculaire alliant sensibilité (compte tenu de l’épaisseur des couches greffées) et grande souplesse (la possibilité de modifier la molécule greffée en fonction de l’odeur ou du gaz à détecter), voire coexistence de plusieurs molécules sur un même support susceptibles de détecter deux odeurs différentes. Le capteur envisagé dans un premier temps pourra utiliser ce schéma :
Si/SiO2/chaîne carbonée d’une quinzaine de carbone /Phényl ou Octadécyltrichlorosilane (C18)/molécules réactives
ou
N- [3-(trimethoxy-silyl) propyl] ethylène-diamine (C8H22N2O3Si) /protéine au gaz que l’on souhaite détecter.

La qualité des capteurs élaborés et la reproductibilité des mesures réalisées seront caractérisées par diverses techniques physiques : traitement d’images ; diffraction par rayons X, AFM, ….

• 2ième partie du projet

Dans la deuxième partie du projet nous grefferons sur nos capteurs moléculaires une protéine présente sur le cil du nez afin de capter son signal après son excitation par une molécule de gaz. Nous prévoyons de concevoir un nez hybride constitué d’un capteur dont la surface est modifiée par chimisorption de molécules organiques de type citées plus haut et de protéines neuronales.

1) Quantification de la quantité de gaz détecté (phase adsorbée) :

Nous réaliserons des capteurs piézoélectrique (ou quartz cristal balance) qui seront rendus sensibles aux molécules gazeuses par les dépôts d’un film actif de molécules autoassemblées. La fréquence de vibration du capteur change à mesure que les molécules de gaz s’adsorbent à la surface du polymère, changeant sa masse, et par conséquent sa fréquence. Le principe de détection est basé sur un changement de fréquence du capteur en présence de composés volatils. Ce changement de fréquence permet d’enregistrer une empreinte électronique de « l’odeur » de la molécule du gaz.

2) Phase d’apprentissage du nez :

L’acquisition des signaux de sorties fournies par les échantillons et leurs stockages dans des bases de données constituera la phase d’apprentissage. L’analyse statistique permettra la classification et par conséquent l’identification des produits. Le nez pourra alors donner une réponse simple comme « reconnu » ou une réponse plus sophistiquée comme la concentration d’une molécule.