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Combiner métasurface et cristaux liquides pour mieux détecter les gaz

Combiner métasurface et cristaux liquides pour mieux détecter les gaz

Détecter les gaz volatils est un enjeu de taille dans de nombreux domaines militaires et industriels, comme les usines pétrochimiques. Une équipe de recherche de l’université des sciences et technologies de Pohang, en Corée, s’est attelée à la réalisation d’un détecteur de gaz rapide, ultracompact et peu coûteux, pour aider à sécuriser ces environnements complexes. Les travaux ont permis de combiner deux technologies de détection : à cristaux liquides, sensible et rapide, et une métasurface holographique, compacte et visuelle. Ces recherches ont été publiées le dans la revue Science Advances

Des modèles classiques aux nombreux défauts

Comme l’explique l’étude, les dispositifs capables de détecter instantanément des gaz dans l’environnement ne sont pas aussi répandus qu’ils devraient l’être. En cause, des technologies certes efficaces, mais encombrantes, difficiles à utiliser et onéreuses. Deux procédés sortent actuellement du lot : d’un côté les capteurs à base de cristaux liquides, de l’autre les métasurfaces.

La première, bien que plus sensible et rapide, nécessite l’utilisation d’un microscope optique polarisant. Une méthode de mesure particulièrement complexe qui freine la mise au point de capteurs portables, pouvant être déployés sur le terrain.

La seconde technologie de détection, les métasurfaces, possèdent, quant à elle, la compacité qui manque aux capteurs à cristaux liquides. Leur composition en nanostructures métalliques ultraminces fournit une information visuelle, tout en favorisant la compacité du matériel. Cependant, leur fonctionnement à base de capteur photonique pose d’autres problèmes. Beaucoup de capteurs de ce type amplifient et exploitent la lumière par rapport à des signaux distincts comme la fluorescence ou des infrarouges. Ils réagissent donc à la présence ou à l’absence d’une molécule cible qui émet ces radiations, ce qui, d’une part, limite les réactions, et de l’autre, prend un certain temps. 

Mixer les avantages des deux technologies 

Le détecteur mis au point par les chercheurs de l’université des sciences et technologies de Pohang, allie les avantages de la réactivité aux stimuli des cristaux liquides, et la compacité des métasurfaces. Grâce à une cellule de détection à cristaux liquide sur mesure, le dispositif peut réagir à des quantités infimes de gaz, d’environ 200 ppm, et réagir en quelques secondes. Cette cellule est optimisée pour transmettre différentes états de polarisation de la lumière en fonction de la présence ou de l’absence de gaz volatils. De son côté, la métasurface, faite de silicium amorphe hydrogéné, est conçue pour reproduire différentes images holographiques en fonction de la polarisation de la lumière incidente. L’image en surface change donc pour indiquer instantanément la présence d’un gaz.

Comme les métasurfaces peuvent être conçues pour afficher des images différentes (par exemple, un smiley souriant quand aucune alarme n’est enclenchée), les auteurs de la publication estiment que ce détecteur est capable de fournir des informations plus intuitives et informatives que les capteurs classiques, qui réagissent à un stimulus uniquement en changeant de couleur.

En outre, pour réaliser un capteur pragmatique qui peut être attaché à n’importe quelle surface qu’elle soit plate ou courbe, la métasurface est mise en œuvre sur un substrat flexible. Grâce à cela, les auteurs espèrent que ce détecteur puisse à l’avenir être installé sur des gants ou lunettes de travail, donnant un avertissement visuel à l’utilisateur en cas de présence de gaz toxique.

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