Des chercheurs impriment en 3D les composants d'un spectromètre de masse portable
Légers et peu coûteux, les filtres de masse miniaturisés constituent une étape clé vers des spectromètres de masse portables qui pourraient identifier des substances chimiques inconnues dans des environnements éloignés
Les spectromètres de masse, appareils qui identifient les substances chimiques, sont largement utilisés dans des applications telles que l'analyse des scènes de crime, les tests toxicologiques et les études géologiques. Mais ces machines sont encombrantes, coûteuses et faciles à endommager, ce qui limite les endroits où elles peuvent être déployées efficacement.
Cette photo montre un exemple de filtre de masse quadripolaire miniaturisé imprimé en 3D. Ils peuvent être fabriqués en quelques heures pour quelques dollars.
Courtesy of Luis Fernando Velásquez-García, Colin Eckhoff, et al
Grâce à la fabrication additive, les chercheurs du MIT ont produit un filtre de masse, qui est le composant central d'un spectromètre de masse, beaucoup plus léger et moins cher que le même type de filtre fabriqué avec des techniques et des matériaux traditionnels.
Leur filtre miniaturisé, connu sous le nom de quadripôle, peut être entièrement fabriqué en quelques heures pour quelques dollars. Le dispositif imprimé en 3D est aussi précis que certains filtres de masse de qualité commerciale qui peuvent coûter plus de 100 000 dollars et prendre des semaines à fabriquer.
Fabriqué à partir d'une résine vitrocéramique durable et résistante à la chaleur, le filtre est imprimé en 3D en une seule étape, de sorte qu'aucun assemblage n'est nécessaire. L'assemblage introduit souvent des défauts qui peuvent nuire aux performances des quadripôles.
Ce quadripôle léger, bon marché et précis constitue une étape importante dans la quête de Luis Fernando Velásquez-García, qui cherche depuis 20 ans à produire un spectromètre de masse portable imprimé en 3D.
"Nous ne sommes pas les premiers à essayer de le faire. Mais nous sommes les premiers à y être parvenus. Il existe d'autres filtres quadripolaires miniaturisés, mais ils ne sont pas comparables aux filtres de masse de qualité professionnelle. Les possibilités sont nombreuses pour ce matériel si la taille et le coût pouvaient être réduits sans nuire aux performances", explique M. Velásquez-García, chercheur principal aux Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d'un article décrivant en détail le quadripôle miniaturisé.
Par exemple, un scientifique pourrait apporter un spectromètre de masse portable dans des zones reculées de la forêt tropicale, et l'utiliser pour analyser rapidement des polluants potentiels sans avoir à renvoyer les échantillons au laboratoire. Un appareil léger serait moins cher et plus facile à envoyer dans l'espace, où il pourrait surveiller les produits chimiques dans l'atmosphère terrestre ou dans celle de planètes lointaines.
M. Velásquez-García est associé à l'auteur principal de l'article, Colin Eckhoff, étudiant diplômé du MIT en génie électrique et informatique (EECS), Nicholas Lubinsky, ancien post-doctorant du MIT, ainsi que Luke Metzler et Randall Pedder d'Ardara Technologies. La recherche est publiée dans Advanced Science.
La taille compte
Au cœur d'un spectromètre de masse se trouve le filtre de masse. Ce composant utilise des champs électriques ou magnétiques pour trier les particules chargées en fonction de leur rapport masse/charge. L'appareil peut ainsi mesurer les composants chimiques d'un échantillon afin d'identifier une substance inconnue.
Un quadripôle, un type courant de filtre de masse, est composé de quatre tiges métalliques entourant un axe. Des tensions sont appliquées aux tiges, ce qui produit un champ électromagnétique. En fonction des propriétés du champ électromagnétique, les ions présentant un rapport masse/charge spécifique tourbillonnent au milieu du filtre, tandis que les autres particules s'échappent par les côtés. En variant le mélange de tensions, on peut cibler des ions ayant des rapports masse/charge différents.
Bien que de conception relativement simple, un quadripôle typique en acier inoxydable peut peser plusieurs kilogrammes. Mais la miniaturisation d'un quadripôle n'est pas une tâche facile. La réduction de la taille du filtre introduit généralement des erreurs au cours du processus de fabrication. De plus, les filtres plus petits collectent moins d'ions, ce qui rend l'analyse chimique moins sensible.
"On ne peut pas réduire arbitrairement la taille des quadripôles, il faut faire un compromis", ajoute M. Velásquez-García.
Son équipe a équilibré ce compromis en tirant parti de la fabrication additive pour fabriquer des quadripôles miniaturisés ayant la taille et la forme idéales pour maximiser la précision et la sensibilité.
Ils fabriquent le filtre à partir d'une résine vitrocéramique, un matériau imprimable relativement récent qui peut résister à des températures allant jusqu'à 900 degrés Celsius et qui fonctionne bien dans le vide.
Le dispositif est fabriqué par photopolymérisation en cuve, un processus au cours duquel un piston pénètre dans une cuve de résine liquide jusqu'à ce qu'il touche presque un réseau de diodes électroluminescentes au fond de la cuve. Celles-ci s'allument et durcissent la résine qui reste dans le minuscule espace entre le piston et les diodes électroluminescentes. Une minuscule couche de polymère durci est alors collée sur le piston, qui remonte et répète le cycle, construisant le dispositif une minuscule couche à la fois.
"Il s'agit d'une technologie relativement nouvelle pour l'impression de céramiques, qui permet de fabriquer des objets en 3D très précis. L'un des principaux avantages de la fabrication additive est qu'elle permet d'itérer les modèles de manière agressive", explique M. Velásquez-García.
Comme l'imprimante 3D peut produire pratiquement n'importe quelle forme, les chercheurs ont conçu un quadripôle avec des tiges hyperboliques. Cette forme est idéale pour le filtrage de masse, mais difficile à réaliser avec les méthodes conventionnelles. De nombreux filtres commerciaux utilisent des tiges arrondies à la place, ce qui peut réduire les performances.
Les chercheurs ont également imprimé un réseau complexe de treillis triangulaires autour des tiges, ce qui leur confère une certaine durabilité tout en garantissant qu'elles restent correctement positionnées si le dispositif est déplacé ou secoué.
Pour terminer le quadripôle, les chercheurs ont utilisé une technique appelée galvanoplastie pour recouvrir les tiges d'une fine pellicule métallique qui les rend conductrices de l'électricité. Ils recouvrent tout sauf les tiges d'un produit chimique de masquage, puis immergent le quadripôle dans un bain chimique chauffé à une température précise et dans des conditions d'agitation. Cela permet de déposer uniformément une fine pellicule métallique sur les tiges sans endommager le reste de l'appareil ni court-circuiter les tiges.
"Au final, nous avons fabriqué les quadripôles les plus compacts mais aussi les plus précis possibles, compte tenu des contraintes de notre imprimante 3D", explique M. Velásquez-García.
Maximiser les performances
Pour tester ses quadripôles imprimés en 3D, l'équipe les a insérés dans un système commercial et a constaté qu'ils pouvaient atteindre des résolutions plus élevées que d'autres types de filtres miniatures. Leurs quadripôles, qui mesurent environ 12 centimètres de long, ont une densité quatre fois inférieure à celle des filtres comparables en acier inoxydable.
En outre, d'autres expériences suggèrent que leurs quadripôles imprimés en 3D pourraient atteindre une précision équivalente à celle des filtres commerciaux à grande échelle.
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'améliorer les performances du quadripôle en allongeant les filtres. Un filtre plus long peut permettre des mesures plus précises, car davantage d'ions censés être filtrés s'échapperont lorsque le produit chimique se déplacera sur sa longueur. Les chercheurs ont également l'intention d'explorer différents matériaux céramiques susceptibles de mieux transférer la chaleur.
"Notre vision est de fabriquer un spectromètre de masse dont tous les composants clés peuvent être imprimés en 3D, ce qui contribuerait à réduire considérablement le poids et le coût de l'appareil sans en sacrifier les performances. Il reste encore beaucoup de travail à faire, mais c'est un bon début", ajoute M. Velásquez-Garcia.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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