HORUS — Résonateurs de Helmholtz optiques pour la détection ultra sensible et spécifique d'explosifs

L'identification de molécules biochimiques est un enjeu majeur pour plusieurs applications, allant de la biologie, le contrôle sanitaire, la médecine, le suivi de la qualité de l'air ou la détection d'agents NRBC-E. La spectroscopie infrarouge est une technique à fort potentiel pour identifier de manière spécifiques ces molécules, et en particulier les explosifs, car elles présentent des bandes d'absorptions caractéristiques dans l'infrarouge liées à des modes rotationnels ou vibrationnels. Les dispositifs de détection d'explosifs se composent généralement d'une partie qui collectent l'air environnant et pré-concentrent les molécules explosives, dans un deuxième temps un capteur va détecter les molécules relâchées, et enfin il y a une dernière étape d'analyse et de rapport des résultats. Le projet HORUS se concentre principalement sur la partie capteur d'explosifs et dans une moindre mesure de l'analyse des résultats. Les techniques les plus répandues et les plus fiables commercialement sont la spectrométrie de masse et la spectrométrie de mobilité ionique, mais aussi les chiens. Cependant, aucune de ces techniques n'est bas coût, et elles ont des contraintes d'opérabilité additionnelles, qui limitent leurs utilisations à quelques sites stratégiques. Pour ce qui concerne les techniques de spectroscopie infrarouge, elles font face à plusieurs défis : 1) Le signal infrarouge lié à l'absorption des molécules est très faible. 2) Plusieurs molécules ont des signatures proches et peuvent déclencher des fausses alarmes. 3) Il y a plusieurs familles d'explosifs qu'il est important de pouvoir détecter. De nombreux travaux ont proposés l'utilisation de nanostructures périodiques pour augmenter le signal infrarouge de molécules en surface (SEIRA – surface enhanced infrared absorption), mais les preuves de concepts se limitent à l'exaltation à une longueur d'onde limitant de facto la specificité et la versatilité. Par ailleurs, elles nécessitent des grandes surfaces du fait de la périodicité, et le signal reste faible. Le point clé du projet HORUS est d'utiliser un nouveau concept de nano-antenne, appelé résonateur optique de Helmholtz par analogie avec l'acoustique, pour exalter les signatures SEIRA de molécules d'explosifs (TNT) et de proposer un capteur à la fois sensible, spécifique et versatile. Les propriétés clés du résonateur de Helmholtz pour la détection SEIRA sont les suivantes : i) Il augmente le champ électrique de six ordres de grandeur dans un volume chaud. C'est 2 ordres de plus que les autres antennes qui se limitent souvent à une exaltation à des points chauds. ii) Un résonateur unique peut absorber tout le flux d'un faisceau focalisé à la limite de diffraction, il n'y a pas nécessité d'une périodicité, et on peut juxtaposer des résonateurs à des longueurs d'onde différentes pour améliorer la spécificité et la versatilité du détecteurs. iii) Lorsque les molécules sont déposées sur le résonateur, il donne un signal sur fond sombre. iv) Le résonateur de Helmholtz ne présente pas de résonances harmoniques, évitant tout signaux parasites à d'autres longueurs d'onde. v) La longueur d'onde de résonance peut être modulé à partir des paramètres géométriques latéraux. Les critères de succès du projet sont: 1) Fabrication d'un résonateur de Helmholtz avec une fente de 10 nm, 2) Obtenir une absorption totale, sous onde plane et champ focalisé, 3) Démontrer une sensibilité de quelques centaines de zeptomoles de TNT, 4) Démontrer la spécificité et la versatilité du capteur basé sur une matrice de résonateurs sur plusieurs familles d'explosifs. Le développement de ce capteur ouvre des perspectives importantes vers d'autres applications (contrôle de la combustion COx et NOx, qualité de l'air dans l'habitat.) D'un point de vue plus fondamental, il promet des avancées sur le concept de résonateur de Helmholtz ainsi que sur le traitement d'informations d'une matrice de capteurs.