L’avenir de la technologie dans les petits emballages: nanocapteurs – Nicholas Chew

«Si nous pouvons réduire les coûts et améliorer la qualité de la technologie médicale grâce aux progrès de la nanotechnologie, nous pouvons plus largement lutter contre les conditions médicales qui prévalent et réduire le niveau de souffrance humaine.» – Ralph Merkle

La taille des appareils technologiques a considérablement diminué ces dernières années et pourrait avoir un impact tous les aspects de nos vies que les développements futurs sont réalisés dans la nanotechnologie. Nous commencerons à voir d’immenses améliorations dans les domaines de la médecine, des transports, de l’environnement et de bien d’autres domaines grâce à une technologie plus petite, dont l’un des minuscules mais puissants nanocapteurs.

UNE nanocapteur fonctionne comme un capteur normal, mais à l’échelle nanométrique. Il détecte les changements dans un environnement physique qui sont ensuite convertis en données à observer par les humains. Ceux-ci peuvent aller des signaux biologiques, mécaniques, chimiques et électriques. Pour vous donner une meilleure compréhension de l’échelle nanométrique (1 à 100 nanomètres), un nanomètre est au centimètre quelle est la longueur d’un pied à la largeur de l’océan Atlantique Atlantic.

Les nanocapteurs vont résoudre d’innombrables problèmes modernes. Les opportunités qui peuvent être dérivées de cette technologie sont profondes car nous aurons accès à des informations qui n’ont jamais été acquises auparavant. La détection rapide des virus, l’amélioration de la qualité des aliments et de l’eau, le matériel de transport et la détection des polluants environnementaux ne sont que quelques-uns des domaines actuellement touchés par les nanocapteurs. Pensez à quand les humains ont inventé le microscope en 1590. Tout à coup, nous avons été exposés à un vaste nouveau monde sous nous, qui a conduit à des progrès rapides dans les soins de santé.

Mais pourquoi réduire la taille des capteurs? C’est parce que les petits capteurs sont éconergétiques, produisent des réponses plus rapides et sont plus précis. En 2018, les chercheurs de l’Université d’Osaka ont combiné la technologie des nanocapteurs et l’intelligence artificielle pour le diagnostic rapide de la grippe. Des coûts moindres, une consommation d’énergie réduite, ainsi qu’une précision et des vitesses de détection plus élevées seront les facteurs qui révolutionnent la façon dont nous utilisons la collecte de données pour résoudre les problèmes les plus importants du monde.

D’ici 2025, 5,1 millions de Canadiens devraient recevoir un diagnostic de diabète. Cela représente plus du dixième de la population.

Pour maximiser l’efficacité des traitements du diabète, des nanocapteurs pourraient être implantés directement dans le corps et collecter la concentration de sucre dans le sang sur une base beaucoup plus fréquente avec des données plus détaillées, qui peuvent mieux informer les médecins de votre santé. Le processus réduira les dommages causés aux organes et sauvera des milliers de vies humaines.

Vous pourriez être curieux de voir comment un si petit appareil peut accomplir des tâches aussi profondes. Bien que les nanocapteurs puissent être destinés à une multitude de fonctions, chaque nanocapteur fonctionne en détectant les variations de conductivité électrique dans un nanomatériau une fois qu’un objet externe a été détecté. Les signaux détectés sont ensuite transmis et convertis en données lisibles. Les nanotubes de carbone et les nanofils sont des composants cruciaux d’un nanocapteur en raison de leur conductivité électrique élevée.

Nanocapteurs chimiques sont capables de détecter divers aspects d’une substance chimique tels que son type, sa concentration ou sa radioactivité. Cela se fait en mesurant le changement de conductivité électrique d’un nanomatériau une fois en contact avec un analyte (la substance observée). Un transducteur dans le capteur capte ensuite les signaux du nanomatériau et convertit les informations en signaux électriques qui sont mesurés par un processeur de signal qui peut enfin afficher tous les résultats détectés pour les humains à analyser.

Nanobiosensors sont un type de nanocapteur chimique qui interagit avec des substances biologiques à travers un biorécepteur tel que des anticorps ou des bactéries. Le biorécepteur est capable de transmettre des informations concernant les matières chimiques, les niveaux de pH et les concentrations bactériennes. Il utilise le même processus lorsqu’il s’agit de transmettre des données du nanomatériau en données lisibles.

Nanocapteurs physiques fonctionner en mesurant les caractéristiques physiques ressenties par le capteur, que ce soit par la charge électrique ou la force physique appliquée sur un nanomatériau. Nous pouvons utiliser les informations des nanocapteurs physiques pour résoudre divers problèmes, tels que le contrôle des ressources, la surveillance des transports et les processus naturels dans l’environnement.

Ce sont trois des principales catégorisations des nanocapteurs; cependant, la gamme des types de nanocapteurs s’élargit rapidement et nous commencerons à voir ce changement dans les années à venir!

Le processus de construction de nanocapteurs est nanofabrication. Cependant, la nanofabrication n’est pas seulement un processus singulier, car elle peut être utilisée pour définir diverses sous-méthodes lorsqu’il s’agit de la production de nanocapteurs, car le processus global est à un stade très précoce. Les méthodes actuelles se répartissent en trois catégories: la lithographie descendante, l’assemblage ascendant et l’auto-assemblage moléculaire. Chaque méthode est utilisée pour des scénarios spécifiques lors de la fabrication de différents types de nanotechnologies.

• La lithographie descendante commence par un matériau en vrac qui est ensuite épissé en nanostructures. Photolithographie et lithographie par faisceau d’électrons sont le processus le plus couramment utilisé dans lequel les particules en excès sont ciselées pour laisser le résultat souhaité. Les longueurs d’onde réglables qui sont projetées sur le matériau permettent une sculpture précise dans les formes souhaitées.
• L’approche ascendante construit les nanostructures à partir de molécules ou d’atomes individuels. Des machines extrêmement précises peuvent combiner des particules dans une chambre de réaction en utilisant l’auto-organisation et la nano-manipulation. Dépôt de couche atomique est une technique fréquemment utilisée où les couches d’atomes sont empilées par des feuilles. Imaginez une imprimante 3D, juste une imprimante ultra précise et capable de construire des nanostructures.
• L’auto-assemblage moléculaire est le procédé le moins utilisé, mais ce sera probablement la méthode de nanofabrication la plus importante car elle exiger le moins de contrôle humain une fois mis en œuvre à grande échelle. En comprenant comment chaque molécule va interagir et se lier avec les autres molécules, le processus de construction peut être programmé dans une machine pour effectuer la tâche au lieu du travail humain manuel.

Les méthodes actuelles de développement de nanocapteurs ne sont pas idéales. Pour commencer, tous les processus de nanofabrication nécessitent de nombreuses ressources rares, ce qui entraîne des coûts élevés. La lithographie descendante est la plus coûteuse car l’environnement de production et les matériaux nécessaires sont difficiles à trouver. Le processus lui-même libère également des toxines nocives et gaspille d’énormes quantités d’énergie. De plus, il existe certaines limites à la précision avec laquelle nous pouvons sculpter des matériaux, que l’approche ascendante est capable de gérer avec plus de détails.

Cependant, la nature longue de la construction d’une molécule modèle par molécule est ce qui fait reculer l’approche ascendante. Bien qu’il ait démontré des résultats adéquats, il serait préférable de trouver une méthode qui peut augmenter considérablement les taux de production, comme la programmation de l’auto-assemblage moléculaire.

Le plus grand revers de la nanofabrication n’est peut-être pas le manque de méthodes efficaces, mais le manque de travailleurs qualifiés et de chercheurs dans le domaine des nanotechnologies. Lorsque plus de mains seront sur le pont dans l’industrie des nanotechnologies, c’est à ce moment que nous commencerons à observer des améliorations et des innovations exponentielles dans ce secteur.

La combinaison des meilleurs aspects de la lithographie descendante et de l’approche ascendante pourrait aider à réduire les points négatifs en matière de nanofabrication. Par exemple, des recherches plus approfondies sur l’efficacité des nanocapteurs lorsque chaque méthode est utilisée et l’optimisation des ressources rendront le processus rentable.

L’intégration de l’intelligence artificielle dans le processus de recherche et de nanofabrication serait extrêmement bénéfique car le test de différents modèles pour leur efficacité grâce à l’apprentissage automatique augmentera de façon exponentielle le temps nécessaire pour produire des nanocapteurs. L’assemblage auto-moléculaire connaîtra probablement des avancées massives et deviendra le processus de nanofabrication standardisé. La vidéo ci-dessous couvre plus de détails sur le sujet.

Enfin, la standardisation de l’enseignement de la nanotechnologie est le moyen le plus simple d’améliorer le processus de nanofabrication. Chaque idée qui s’appuie sur les idées existantes est le moteur de l’amélioration, et le fait d’avoir plus de personnes travaillant ainsi que des idées apportera des développements accélérés dans l’industrie des nanotechnologies, repoussant les limites de la réussite et améliorant considérablement la vie humaine.

Merci d’avoir pris le temps de lire! Vous trouverez ci-dessous quelques-unes des sources que j’ai utilisées, mais elles sont également utiles si quelqu’un souhaite approfondir ses recherches sur les nanotechnologies et les nanocapteurs 👍.

https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/nanosensors

https://www.nanowerk.com/nanofabrication.php

https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=4933

https://www.nature.com/articles/s41378-020-0144-4

https://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-50532012000100004

https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/6276

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780857096609500023