Le plus petit « renifleur » du monde

© Rédaction» Andreas Güntner dans le laboratoire dans lequel les capteurs ont été développés et testés.Andreas Güntner, chercheur au Particle Technology Laboratory du département Génie mécanique et Génie des procédés de l’École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ), développe des systèmes de détection miniatures ultra performants permettant de détecter les plus infimes traces de substances volatiles dans l’air. Ces capteurs ouvrent de nouvelles possibilités aux premiers répondants (First Responder) et leur permet d’intervenir là où les « vrais » chiens de recherche atteignent leurs limites.

Le chien est le meilleur ami de l’Homme, et pour le personnel des feux bleus un auxiliaire indispensable en tant que chien de police, de défense, de recherche et de sauvetage. Grâce à leur odorat très développé, les chiens sont formés, depuis le Moyen Âge, et dès le XVIIe siècle au Col du Grand Saint-Bernard, à la recherche de personnes disparues, égarées ou ensevelies. A ce niveau, les performances réalisées sont impressionnantes. En effet, la membrane olfactive du chien comprend plus de 100 fois plus de cellules réceptrices que celle de l’Homme, et son système olfactif est composé de deux naseaux séparant l’air nécessaire pour respirer et celui utilisé pour la détection en deux, ce qui lui permet de détecter des substances que l’Homme ne peut sentir. Par exemple les phéromones et certains hydrocarbures sous forme gazeuse, et ce même dans des concentrations les plus infimes. Un chien bien entrainé pourra ainsi flairer avec précision ce que l’Homme ne peut ni voir, ni entendre, ni apercevoir. Il est ainsi capable de retrouver une personne ensevelie avec une probabilité située entre 75 et 95%, comme le prouvent de nombreuses études.

A la recherche du « nez électronique »

L’utilisation de chiens connait cependant également des limites. La recherche est extrêmement fatigante pour les chiens, ce pourquoi ils ont régulièrement besoin de faire des pauses. La chaleur, la haute altitude, l’obscurité et un taux d‘humidité élevé les fait souffrir. En outre, ils doivent souvent être tout d’abord transportés de loin vers le lieu de recherche. Enfin, ils ne peuvent pas travailler sur n’importe quel terrain, bien que le meneur de chien arrive souvent plus vite à ses limites que son animal.

En pleine conscience des limites physiologiques des chiens de recherche, même du plus brillant, résistant, rapide et courageux, les chercheurs travaillent depuis des années au développement d’un « nez électronique » pouvant être utilisé par tous les temps et quasiment dans n’importe quel environnement, emporté à toute heure partout, et dans le meilleur des cas également embarqué sur des drones. Andreas Güntner travaillant au Particle Technology Laboratory du département Génie mécanique et Génie des procédés de l’EPFZ figure parmi ces chercheurs. Avec son équipe interdisciplinaire, il a développé des capteurs ultra sensibles pouvant détecter des substances organiques et inorganiques volatiles, telles que l’acétone, l’ammoniac ou l’isoprène, et cela de manière rapide et sûre, mais avant tout dans de faibles concentrations jamais atteintes jusqu’à présent.

Des capteurs de gaz en remplacement de l’odorat canin

Etant donné que les trois substances susnommées constituent des produits naturels du métabolisme, que chacun d’entre nous expire par la bouche et exsude par les pores de sa peau, il est possible de retrouver des personnes ensevelies ou dissimulées par la détection combinée de ces gaz. La concentration de ces substances dans l’air expiré et/ou la sueur est cependant très faible. La sensibilité des capteurs doit donc être très élevée. L’équipe autour d’Andreas Güntner utilise des puces revêtues d’oxydes métalliques nanostructurés. « Il y a quelques années, au début de nos recherches, celles-ci étaient aussi grandes qu’une pièce de 5 centimes. Entre-temps, elles sont plus petites que la tête d’une allumette » précise Güntner en désignant les trois dernières générations de développement. Il ajoute que « les oxydes métalliques ont une structure cristalline clairement définie et une porosité particulièrement élevée, offrant ainsi une surface d’échange gigantesque aux substances gazeuses. Lorsque certaines substances gazeuses interagissent avec la surface cristalline, il s’en suit des échanges physico-chimiques. La résistance électrique de la puce varie, ce que nous pouvons mesurer. » Les oxydes métalliques utilisés par Güntner, tels que des trioxydes de tungstène et de molybdène ou encore des oxydes de zinc dopés au silicium, réagissent spécifiquement à différentes substances. Les processus physico-chimiques engendrés sont par ailleurs extrêmement rapides (d’une durée de quelques secondes) et les oxydes métalliques réagissent avec une incroyable sensibilité. « Nous pouvons repérer quelques molécules d‘acétone parmi plusieurs centaines de millions d’autres molécules », explique Güntner. Malgré cela, les puces sont relativement robustes. « Les coûts de notre technique sont faibles, elle est facile à manipuler et elle permet des mesures en temps réel. A l’heure actuelle, nous testons son aptitude à résister aux rudes conditions rencontrées au quotidien », déclare Güntner.

Un fonctionnement irréprochable

Lors des premiers tests, dans le cadre desquels des personnes sont restées seules et pendant plusieurs heures dans des chambres d’essais, les nouveaux capteurs ont permis de détecter de l’ammoniac, de l’acétone et de l’isoprène de manière rapide et sûre, et avec une précision qui ne peut normalement être atteinte qu’avec des spectromètres de mobilité ionique ou de masse, ces derniers n’étant ni transportables, ni nécessairement abordables. Les capteurs peuvent par contre théoriquement être intégrés dans chaque téléphone ou appareil portable, vu leur taille et leur poids minuscules. Complétés par des capteurs d’humidité et de CO2, ils offriraient de toutes nouvelles et larges possibilités aux premiers répondants. Güntner est convaincu qu’ « ils pourraient ainsi immédiatement lancer leurs actions de recherche et, à l’aide d’un drone équipé d’un tel « renifleur », ratisser de grands espaces dans un délai nettement plus court que tout ce que l’on a pu imaginer jusqu’à présent ».

Tout cela nécessitera cependant encore un peu de temps dans la mesure où la performance et la stabilité des capteurs devront tout d’abord être démontrées lors d’essais en laboratoire. Andreas Güntner et son équipe devront par ailleurs encore investir beaucoup de temps et de travail dans d’autres tests et dans le développement jusqu’à la fabrication en série d’un produit adapté aux exigences des utilisateurs. Pour cela, il leur faut continuellement attirer de nouveaux investisseurs.