De nouveaux matériaux pour créer des détecteurs piézoélectriques adaptés aux milieux fluides

Martin Peruzzi, doctorant à l’Institut de physique appliquée de l’Université Johannes Kepler, est parvenu à mettre au point des capteurs piézoélectriques susceptibles d’être immergés dans des liquides et des gaz, par exemple pour repérer des éléments pathogènes ou des marqueurs tumoraux présents dans le sang.

De fait, si les matériaux piézoélectriques sont largement utilisés dans la fabrication de capteurs, en particulier pour les analyses par ultrasons, ils ne peuvent être plongés dans des fluides : les ondes acoustiques créées par une contrainte alternée atténuent l’oscillation du cristal piézoélectrique et donc le signal électrique qu’il est susceptible d’émettre. Or un capteur piézoélectrique sert à mesurer des contraintes, des oscillations ou des pressions, un matériau piézoélectrique ayant pour propriété de se polariser sous l’effet de déformations mécaniques. Autrement dit, en milieu fluide, un cristal réagissant à une déformation périodique émet des ondes acoustiques qui, en se propageant, amortissent la déformation initiale, laquelle est justement celle à mesurer.

En réponse, Martin Peruzzi a produit de fines lames d’oxyde de zinc (ZnO) qui réagissent à la déformation en émettant des ondes acoustiques de cisaillement. Les ondes, au lieu de se propager dans le milieu ambiant, liquide, courent à la surface des lames minces. Mieux, si la surface de la lame est altérée ou déformée, les ondes de cisaillement se déphasent, ce qui permet de repérer puis de quantifier les déformations. Supposons alors que la surface des lames soit couverte de récepteurs moléculaires, tels que des anticorps, à même de fixer des molécules données du liquide environnant ; l’accrochage des molécules déformerait la surface de la lame, générant par là-même un déphasage mesurable des ondes de cisaillement. La création de biocapteurs voire de circuits intégrés et de ‘Labs-on-the-chip’ piézoélectriques en devient envisageable.

Les couches minces utilisées n’ont toutefois rien d’anodin : obtenues par ablation laser (‘pulsed-laser deposition’), elles sont composées de monocristaux désorientés, condition sine qua non de leur capacité à générer des ondes de cisaillement.

Plus généralement, sous la houlette de Dieter Bäuerle, l’Institut de physique appliquée s’intéresse aux interactions laser-matière et au façonnage laser de matériaux : micro-usinage, ablation de surfaces, formation de structures cohérentes, déposition chimique en phase vapeur assistée par laser (LCVD - Laser-induced Chemical Vapour Deposition)... En parallèle, l’Institut mène des recherches sur les polymères, les couches minces et les céramiques, ainsi que des investigations plus fondamentales sur les ablations photophysiques, l’expansion de la plume d’ablation ou les instabilités induites.

Le travail évoqué a été effectué dans le cadre du projet européen PISARRO (‘PIezoelectric Sensing Arrays for biomoleculaR inteRactiOns and gas-monitoring’), lequel a réuni, entre autres, l’Université Johannes Kepler de Linz, l’entreprise Siemens Allemagne, l’Université britannique de Cranfield, les entreprises Technobiochip et E+E Elektronik, ainsi que l’Institut national de recherche roumain en physique des lasers, du plasma et des radiations (INFLPR - Institutul Național de cercetare-dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației).

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Rédaction et première publication dans le cadre du Bulletin Électronique du Service Scientifique de l’Ambassade de France à Vienne et plus précisément dans le cadre du BE Autriche numéro 62 du 2 mai 2005 (http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/27645.htm)

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