Capteurs pour la détection de gaz neurotoxiques utilisant une transition d'ancrage de cristaux liquides

Neurotoxic gas sensor based on anchoring transition of liquid crystals

• Auteur / Autrice : Youen Le Lirzin
• Direction : Laurent Dupont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 26/03/2024
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Optique
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Vidal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Dupont, Redouane Douali, Jean-François Blach, Alexandre Khaldi, Nathalie Redon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Redouane Douali, Jean-François Blach

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Agents neurotoxiques

Cristaux liquides

Détecteurs de produits chimiques

Mots clés libres

Capteur chimique

Cristaux liquides

Sels métalliques

Organophosphorés

Electrique

Optique

Chemical sensor

Liquid crystals

Metal salts

Organophosphorus

Electric

Optic

Résumé

L'utilisation récente d'agents neurotoxiques dans les conflits ou la menace terroriste nécessite le développement d'un capteur de gaz portable et efficace. Abbott et al. ont conçu un capteur de gaz utilisant des ions cuivriques (Cu2+) coordonnés avec des cristaux liquides nématiques (CL) et les orientant en position homéotrope. En présence de gaz organophosphoré (liaison P=O), la structure cristalline passe d’une orientation homéotrope à planaire en raison d’une force de coordination préférentielle du gaz pour l’ion Cu2+. Cette différence peut être observée entre polariseurs croisés. Plusieurs défis technologiques doivent être soulignés : lorsque les ions cuivriques sont déposés sur un substrat, un démouillage des CL se produit et augmente avec la concentration des ions en surface. De plus, ces ions se dissolvent dans le CL avec le temps, conduisant éventuellement à l’apparition d’une double couche électrique bloquant le transducteur dans une orientation ou l'autre. Ici, nous présentons des méthodes de stabilisation de des techniques de fabrication pour améliorer la durée de vie des capteurs. Celles-ci incluent la formation de grille, la fonctionnalisation de surface, l'impression jet d’encre et les stratégies de stockage. Des mesures électriques et optiques de la transition des CL ont été réalisées. Une concentration allant jusqu'à 1 ppm du simulant DMMP a été détectée avec succès. Enfin, la nécessité d'un dispositif portable motive le développement d'un transducteur optique pour effectuer des mesures sur le terrain.

Recent use of neurotoxic agent in terrorist attacks or their threat in chemical warfare requires the development of a lightweight and efficient chemical sensor. Abbott et al. designed a gas sensor using copper ions (Cu2+) coordinated with nematic liquid crystals (LC) anchoring them in a homeotropic orientation. When the surface is exposed to organophosphorus gas (with P=O bond), the crystal structure evolves from homeotropic to planar orientation due to preferential coordination forces of the organophosphorus gas toward Cu2+. The difference can be observed between crossed polarizers. Few technological challenges should be pointed out : when copper ions are coated on the substrate, LC dewetting occurs and increase with surface ions concentration. Furthermore, copper ions dissolve in LC over time, eventually leading to an electric double layer locking the transducer in one orientation or the other. Here, we present the stabilization method and the fabrication technique to further increase the lifetime of sensors. These include grid formation, surface functionalization, jet printing and storage strategies. Both electrical and optical measurement of LC transition have been performed. A concentration up to 1 ppm of the simulant DMMP has been successfully detected. Finally, the need for a wearable device motivate the development of an optical transducer to perform on-field measurement.