Normes européennes obligent, la cessation d’une activité industrielle doit s’accompagner de la certitude que le site délaissé est exempt de toute pollution résiduelle. Pour détecter d’éventuels contaminants, les capteurs représentent une solution innovante, se substituant avantageusement à de colossales et coûteuses analyses de terrain.
La mise au point de ces capteurs à visée environnementale est une déclinaison des travaux que mènent depuis vingt ans à l’Institut FEMTO-ST les chimistes Frédéric Chérioux et Vincent Luzet, et Jean-Michel Friedt, spécialiste de l’électronique et du traitement du signal liés au domaine du temps-fréquence.
Dans le cadre d’une collaboration avec TotalEnergies, leurs travaux avaient conduit en 2020 au dépôt d’un brevet pour leur système de détection du très toxique sulfure d’hydrogène (H2S) dans les sols. (voir l’article Des polluants traqués en sous-sol par des capteurs sans fil, paru dans le journal en direct n°289 juillet-août 2020).
Aujourd’hui, c’est dans les eaux souterraines que les chercheurs traquent les BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylène), des composés également extrêmement toxiques issus des hydrocarbures, trouvés souvent ensemble à proximité de sites industriels liés à la pétrochimie ou autour des stations-service.
Si la finalité de la recherche est identique, la question scientifique est tout autre pour les chercheurs : contrairement à la molécule H2S, dont la réactivité permet l’utilisation des propriétés chimiques à des fins de détection, les BTEX sont des molécules quasiment inertes, que seule une formidable énergie pourrait forcer à réagir. Frédéric Chérioux a contourné cet écueil non pas en utilisant les propriétés chimiques de ces composés, mais en produisant des interactions physicochimiques spécifiques.
« La densité électronique des BTEX n’est pas constante partout. Le calcul, par simulation, des différences de répartition des électrons autour des molécules a permis de créer un polymère récepteur exactement inverse en charge électrique : les interactions ainsi obtenues entre les polluants et le polymère forment des espaces dans lesquels les BTEX sont piégés par effet électrostatique », explique le chimiste.
Ce casse-tête résolu, après la synthèse du polymère fonctionnel, direction la salle blanche de la plateforme MIMENTO, où les compétences de Vincent Luzet prennent le relais pour assurer le dépôt du polymère sur un substrat piézoélectrique : une couche submicronique appliquée sur du tantalate de lithium, au fonctionnement inaltéré dans l’eau.
C’est la modification de l’une des propriétés physiques du polymère qui révèlera la présence des polluants. Jean-Michel Friedt détermine laquelle sera la plus parlante, en l’occurrence ici la masse, et s’assure que cette modification puisse être mesurée par propagation d’ondes acoustiques à la surface du polymère, une technologie permettant de réaliser des capteurs autonomes, robustes et interrogeables à distance.
Résultat : la sensibilité du capteur à la présence du polluant est avérée à des concentrations inférieures à 0,5 ppm (parties par million), qui représentent la limite de tolérance imposée par les agences environnementales. Sa sélectivité est un véritable point fort : « Des tests effectués sur des eaux polluées par différents contaminants ont démontré la capacité du capteur à ne détecter que la cible visée. » L’absence d’interférence avec les autres polluants témoigne d’une sensibilité optimale du capteur aux BTEX.
Ayant ainsi fait la démonstration de ses performances, le capteur acoustique réalisé grâce aux compétences développées à l’Institut FEMTO-ST a donné lieu au dépôt de deux brevets. Il est actuellement testé sur site par TotalEnergies, en conditions réelles de fonctionnement, et prêt à accéder à une étape de fabrication et de commercialisation.
