Comment concevoir un capteur fiable à 1 $ pour une eau potable sûre

Des centaines de milliers de personnes meurent chaque année à cause de la consommation d’eau insalubre, selon l’Organisation mondiale de la santé. Par exemple, on estime que la diarrhée transmise par une contamination bactérienne est responsable de plus de 500 000 décès par an. Les métaux lourds toxiques présents dans l’eau potable, comme l’arsenic, le plomb et le mercure, présentent également d’énormes risques pour la santé. Et le changement climatique ne fera qu’exacerber les risques de maladies liées à l’eau, selon l’OMS.

Des capteurs capables de détecter avec précision et rapidité ces contaminants pourraient prévenir de nombreuses maladies et décès d’origine hydrique. Aujourd’hui, les ingénieurs ont développé une voie permettant de fabriquer en série des capteurs en graphène hautes performances capables de détecter les métaux lourds et les bactéries dans l’eau du robinet. Cette avancée, rapportée dans Nature Communications, pourrait ramener le coût de ces capteurs à seulement 1 $ US chacun, permettant ainsi aux gens de tester leur eau potable pour détecter les toxines à la maison.

Les capteurs doivent être extrêmement sensibles pour détecter les infimes concentrations de toxines qui peuvent causer des dommages. Par exemple, la Food and Drug Administration des États-Unis déclare que l’eau en bouteille doit avoir une concentration de plomb ne dépassant pas 5 parties par milliard.

Aujourd'hui, la détection de concentrations de parties par milliard, voire de parties par billion, de métaux lourds, de bactéries et d'autres toxines n'est possible qu'en analysant des échantillons d'eau en laboratoire, explique Junhong Chen, professeur d'ingénierie moléculaire à l'Université de Chicago. et le stratège principal de l'eau au Laboratoire national d'Argonne. Mais son groupe a développé un capteur doté d’un transistor à effet de champ (FET) en graphène capable de détecter les toxines à ces faibles niveaux en quelques secondes.

Le capteur est basé sur une feuille d'oxyde de graphène semi-conductrice de quelques nanomètres d'épaisseur, qui fait office de canal entre les électrodes de source et de drain dans un FET ; une électrode de grille contrôle le courant à travers le canal. Les feuilles de graphène sont déposées sur une plaquette de silicium, puis des électrodes en or sont imprimées sur les feuilles, suivies d'une couche isolante d'oxyde d'aluminium d'une épaisseur nanométrique pour séparer l'électrode de grille du canal semi-conducteur.

Les chercheurs attachent des molécules chimiques et biologiques à la surface du graphène qui se lieront aux cibles souhaitées, en l'occurrence la bactérie E. coli et les métaux lourds, le plomb et le mercure. Lorsque même la plus petite quantité de contaminants s’attache au graphène, sa conductivité change, l’ampleur du changement étant corrélée aux concentrations de toxines.

L'appareil utilise un ensemble de trois capteurs différents, un pour chaque contaminant, pour mesurer les concentrations en parties par billion dans l'eau courante. Les algorithmes d'apprentissage automatique aident à différencier les contaminants, explique Chen. « Sa réponse est très rapide, comme n'importe quel autre FET, vous pouvez donc voir les résultats immédiatement. En outre, son coût est potentiellement faible, car le FET est une technologie rentable et évolutive [qui est déjà utilisée] dans les ordinateurs, les ordinateurs portables et les téléphones portables.

Fabriquer des capteurs offrant des performances fiables et constantes représentait un défi majeur, explique-t-il. En effet, la couche isolante d'oxyde d'aluminium peut présenter des défauts qui emprisonnent les charges et dégradent les performances.

Chen et ses collègues ont donc trouvé un moyen de détecter les appareils défectueux à l'aide d'un processus non intrusif. Alors que les capteurs sont immergés dans l’eau, ils les testent par spectroscopie d’impédance – une technique qui consiste à appliquer une tension alternative à des fréquences allant de quelques hertz à quelques dizaines de milliers de hertz – et à mesurer le courant traversant les appareils. Cela leur permet de détecter les défauts structurels de l’oxyde d’aluminium.

« Sur chaque tranche, vous auriez des centaines de puces de capteur », explique Chen. "Dans la fabrication future, nous pourrons introduire cette étape de contrôle qualité pour éliminer les appareils défectueux et sélectionner les appareils de bonne qualité."

L’équipe tente maintenant de commercialiser la technologie par l’intermédiaire d’une startup appelée Nanoaffix Science. "Le premier produit que nous espérons introduire est un appareil portable qui permet aux gens de tester la qualité de l'eau potable directement du robinet", explique Chen.