Le dioxyde de titane comme senseur nanométrique

La mesure des contraintes mécaniques à l’échelle nanoscopique est un défi majeur en science et ingénierie des matériaux. La clé de cette avancée est la capacité de combiner des matériaux nanométriques bon marché qui réagissent au stress mécanique avec une détection simple. Une voie prometteuse consisterait à mettre au point des capteurs à lecture optique. Cependant, il n'existe pas de nanomatériaux connus dont les propriétés optiques changent de manière simple et prévisible, sous l’effet d'une contrainte mécanique, a fortiori à température ambiante. De tels matériaux seraient extrêmement utiles pour un grand nombre d'applications de détection, allant des biosciences à la métrologie.

Le laboratoire de Majed Chergui à l'EPFL au sein du Centre des sciences ultra-rapides de Lausanne, en collaboration avec les groupes théoriciens d'Angel Rubio au Max-Planck Institut (Hambourg) et Pascal Ruello à l'Université de Le Mans, a démontré que les nanoparticules du polymorphe anatase du dioxyde de titane peuvent révolutionner le domaine.

Le dioxyde de titane est un matériau bon marché et abondant qui est déjà utilisé dans une grande variété d'applications telles qu’en photovoltaïque, photocatalyse, ou comme écran solaire, peintures, ou encore dans la purification de l'eau et de l'air. Avec leur récente découverte, publiée dans Nano Letters, M. Chergui et ses collaborateurs montrent que le dioxyde de titane est le candidat le plus prometteur pour le développement de senseurs à température ambiante de déformations à l'échelle nanométrique et permettant une lecture optique.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont perturbé impulsivement les nanoparticules de dioxyde de titane à température ambiante, par une onde de contrainte mécanique et détecté leur réponse optique autour la principale bande d'absorption du matériau, due à un "exciton". Ils ont constaté que ce dernier subit un changement d'intensité sous la contrainte mécanique appliquée. Cette réponse simple est en contradiction avec le comportement de tous les matériaux connus, dont les réponses optiques aux contraintes mécaniques sont complexes et imprévisibles. Ces nouvelles découvertes ouvrent la voie au développement de capteurs ou senseurs avec lecture optique basée sur une seule fréquence laser accordée à celle de l'exciton.

Vu que le dioxyde de titane est déjà incorporé dans une large gamme d'appareils et qu'il existe une grande expertise pour le combiner avec d'autres matériau, ces résultats promettent une nouvelle génération de capteurs/senseurs optiques de contraintes mécaniques à l'échelle nanométrique.

"Cette observation a été rendue possible grâce à nos techniques laser ultra-rapide de pointe dans l'ultraviolet profond. Nous nous attendons à ce que notre méthode expérimentale mène à des découvertes encore plus passionnantes dans le nanomonde dans un avenir proche ", dit Edoardo Baldini (premier auteur de l'article, maintenant au MIT).