Thèse Capteurs de Gaz Portables à Base des Matériaux Bidimensionnels 2D pour la Détection du Dmmp H/F

École polytechnique

Établissement : École polytechnique
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : LPICM - Laboratoire des Interfaces et des Couches Minces
Direction de la thèse : Fatima BOUANIS
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-29T23:59:59

Les progrès récents dans les nanomatériaux offrent un fort potentiel pour la réalisation de capteurs, avec de nombreux avantages tels qu'une grande sensibilité de détection, un faible coût et une faible consommation d'énergie. Les nanomatériaux, notamment le graphène et les MXènes, sont largement reconnus comme des candidats idéaux pour le développement des capteurs de gaz [1]. En effet, ces matériaux présentent un rapport surface/volume élevé, une conductivité électrique élevée et un faible bruit électrique [1]. De plus, ces matériaux peuvent fonctionner à température ambiante, ce qui est impossible pour les semi-conducteurs à oxyde métallique [2]. Les capteurs à base de nanomatériaux pour la détection du DMMP font l'objet de nombreuses études dans la littérature. Toutefois, ils présentent plusieurs limitations majeures, telles qu'une faible sensibilité, des temps de réponse et de remise à zéro longs, ainsi qu'une sélectivité réduite. Des efforts considérables restent nécessaires pour optimiser ces performances et de développer des capteurs de DMMP à la fois efficaces et fonctionnels à température ambiante.
Pour améliorer les performances de ces capteurs, nous proposons de développer des capteurs de DMMP à base de MXène selon deux approches : (i) la première consiste à développer des capteurs de gaz à base de nouvelles architectures 2D (hétérostructures), c'est-à-dire en combinant les propriétés de deux nanomatériaux (MXène/graphène). Cette stratégie permet d'augmenter la surface de détection, d'améliorer la stabilité des matériaux et de réduire la consommation d'énergie, offrant ainsi des performances optimisées et une meilleure fiabilité des capteurs. (ii) La deuxième approche repose sur la fonctionnalisation non covalente de la surface du MXène par des complexes organométalliques, notamment des métalloporphyrines (MPo) et des métallophthalocyanines (MPhc) afin d'améliorer la sélectivité de ces capteurs.
Bibliographie:
[1] Y.T. Kim et al., RSC Adv., 9 (2019) 33976-33980.
[2] K. Kacem et al. J. Alloys Compd., 941 (2023) 169011.

Les agents de guerre chimique (CWAs), en particulier les agents neurotoxiques comme le sarin, sont extrêmement toxiques et représentent un danger mortel pour l'homme. Par exemple, le sarin peut entraîner la mort en moins de 10 minutes à une concentration aussi faible que 64 ppb [1]. Il devient donc impératif de développer des capteurs performants capables de détecter avec précision ces agents afin de prévenir d'éventuelles menaces. Étudier et effectuer des mesures sous gaz sarin dans des conditions de laboratoire est extrêmement dangereux et compromet la sécurité des chercheurs, d'où l'intérêt d'utiliser un simulant. L'un des principaux composants des simulants d'agents neurotoxiques est le diméthyl méthylphosphonate (DMMP), un composé de substitution qui imite les propriétés chimiques des agents neurotoxiques [2]. Le DMMP est largement utilisé dans les applications de détection chimique, en raison de sa capacité à générer une réponse mesurable dans une variété de systèmes de détection. Cette caractéristique en fait un outil précieux pour la conception et la fabrication de capteurs chimiques fiables destinés à la détection des CWAs [3]. Pour garantir une surveillance efficace et une protection optimale contre ces substances dangereuses, il est essentiel de développer des capteurs sensibles, sélectifs et robustes capables de détecter le DMMP. Cela permettrait non seulement de détecter rapidement les agents de guerre chimique, mais aussi de réduire les risques associés à leur utilisation et d'améliorer la réactivité face à de potentielles attaques chimiques.
La détection de DMMP est généralement réalisée à l'aide de stations de mesures basées sur des principes physiques tels que la spectrométrie de masse, l'absorption Ultra-violet ou Infra-rouge ou encore la chromatographie [4]. Ces systèmes sont très performants pour détecter de manière qualitative et quantitative le DMMP. En revanche, ils sont très volumineux, très coûteux, nécessitent des personnels qualifiés pour réaliser les mesures et les analyses ne peuvent pas être effectuées en temps réel. C'est pourquoi il est essentiel de développer des capteurs de gaz portables afin de surmonter ces limitations. Parmi les capteurs de gaz portables les plus courants figurent les capteurs à base d'oxydes métalliques, largement utilisés dans des applications telles que l'automobile, la sécurité domestique et la surveillance de l'environnement. Ces capteurs offrent un coût réduit et une bonne sensibilité [5]. Cependant, leur sensibilité reste faible lorsqu'ils fonctionnent à température ambiante. En effet, ces capteurs nécessitent généralement des températures de fonctionnement comprises entre 200 et 400 °C, ce qui entraîne une consommation d'énergie considérablement plus élevée. Ceci est un frein pour des dispositifs autonome et nomade. Par conséquent, des capteurs qui fonctionnent à température ambiante (RT) sont souhaitables.
Bibliographie :
[1] L. Saya, et al., Springer Nature Singapore, Singapore, (2022) 453-489.
[2] Y.C. Quintero et al Surf. Sci., 675 (2018) 26-35.
[3] Z. Witkiewicz et al. Sensors, 23 (6) (2023) 3272.
[4] E. Brunol et al. Sens. Actuators B Chem., 120 (2006) 35-41.
[5] Y. Wang et al., J. Mater. Chem. C, 7 (2019) 9248-9256.