DARTAGNAN — détection d'explosifs et drogues par absorption infrarouge exaltée par des matrices de nanorésonateurs

La spectroscopie est une technique largement utilisée pour identifier les molécules grâce à leurs longueurs d'onde d'absorption, qui, chacune associée à une largeur de raie donnée, constituent une empreinte unique et reconnaissable des molécules. Le signal d'absorption peut être amélioré si les molécules sont placées près d'une surface métallique ou d'une nanostructure résonante qui augmente localement le champ électrique d'éclairage, une technique connue sous le nom de Surface Enhanced InfraRed Absorption (SEIRA). Toutefois, il existe encore plusieurs inconvénients qui entravent son utilisation pratique : 1) l'augmentation de l'absorption infrarouge reste encore faible. 2) L'amélioration est obtenue sur une bande passante limitée et ne cible pas toutes les bandes d'absorption du résonateur. 3) Ces démonstrations reposent sur un spectromètre infrarouge à la fois encombrant et coûteux. Le projet Dartagnan vise à relever ces défis en introduisant d'abord l'utilisation d'un nanorésonateur optique, basé sur une géométrie simplifiée du résonateur optique de Helmholtz. Il est simple à concevoir, et lorsque les molécules ciblées sont prises en compte dans son optimisation, leur absorption infrarouge caractéristique est améliorée de plusieurs ordres de grandeur sur une large gamme spectrale. Ensuite, un ensemble de résonateurs de géométries diverses peut être utilisé comme système matriciel fonctionnant en émission thermique ou en transmission avec un éclairage filtré dont la signature capturée par un imageur IR à faible coût permet l'identification des molécules par comparaison avec une base de données. Ce système matriciel joue le rôle d'un spectromètre simplifié, bien que ses performances soient dégradées, il permettra d'obtenir un capteur autonome et peu coûteux. Le projet Dartagnan est divisé en deux phases. Tout d'abord, la démonstration du signal SEIRA de haute sensibilité dans la gamme 5-12 µm sur diverses molécules intervenant soit dans la dégradation des explosifs et des stupéfiants, soit comme réactifs dans leur fabrication. Dans la seconde partie du projet, l'objectif est de développer une preuve de concept de capteur optique capable d'identifier les molécules d'explosifs et de narcotiques et de les distinguer sélectivement les unes des autres, ainsi que de molécules tierces, grâce à leur signature infrarouge, et qui soit en même temps simple à mettre en œuvre et à déployer (coût, compacité, portabilité, consommation d'énergie). Les nanorésonateurs développés dans la première phase, couplés à un détecteur infrarouge matriciel, constitueront la partie principale du dispositif de détection qui fournira des informations spectrales sur un nombre limité de longueurs d'onde. Le capteur matriciel développé au cours du projet aura une sensibilité de l'ordre du picogramme, avec la capacité de distinguer plusieurs familles de molécules et avec un faible taux de fausses alertes. Les critères de réussite du projet DARTAGNAN sont les suivants : 1) Démonstration expérimentale d'un résonateur de Helmholtz non polarisé en transmission (T>80% à la résonance). 2) Démonstration expérimentale d'une augmentation de l'absorptivité (signal SEIRA) supérieure à 0,8 sur un résonateur unique. 3) Détection sensible de moins de 10 picogrammes de molécules sur un seul résonateur. 4) Preuve de concept du capteur (TRL 4) avec une détection sensible de 1 nanogramme de molécules, et une détection sélective de 10 molécules différentes. Le développement de ce capteur, capable d'identifier des molécules chimiques grâce à leur signature infrarouge, a de nombreuses applications qui vont bien au-delà des applications aux menaces NRBC-E et de la lutte contre la criminalité : biologie, détection des intoxications alimentaires, médecine, surveillance de la pollution. À terme, le projet ouvrira la voie à un transfert de technologie du capteur optique développé.