apteurs Avancés pour le Monitoring Environnemental des Régions Arctiques :

Le besoin croissant de détection de molécules chimiques ou biochimiques à l’état de traces estun enjeu majeur dans les domaines de l’environnement, de la santé et de la sécurité. Denombreuses molécules possèdent des bandes d’absorption vibrationnelle dans  le Moyen Infra-
Rouge (MIR), domaine de longueurs d’onde s’étendant de 2 à 25 μm. La spectroscopie dans le MIR est une technique d’analyse qui ne nécessite pas de marqueur et qui permet d’identifier et de mesurer quantitativement ces molécules caractérisées par leurs modes de vibration [1].

Par ailleurs, dans un contexte d'accélération des changements climatiques et du développement socio-économique dans les régions arctiques, la stabilité des écosystèmes et des infrastructures
nordiques est menacée. Par exemple, le réchauffement climatique récent serait jusqu’à quatre fois plus rapide dans les hautes latitudes qu’ailleurs sur la planète [2], ce qui provoque une série d’impacts environnementaux profonds comme le dégel du pergélisol, le socle-même de ces
écosystèmes et infrastructures nordiques [3]. Ce dégel, lorsque le sol est riche en glace et en matière organique, induit des modifications importantes dans le paysage, comme des glissements de terrain, une augmentation de la turbidité de l’eau qui nuit à l’habitat du poisson, ou des émissions accrues de gaz à effet de serre [4, 5]. Les communautés de l’Arctique circumpolaire, en premier lieu les peuples autochtones (Premières Nations, Inuit), sont de plus en plus concernées et inquiètes de ces bouleversements qui affectent leur environnement et leur mode de vie traditionnel.

Ce projet vise à générer le savoir nécessaire pour suivre et se préparer à la transformation des milieux nordiques à l’aide de technologies de pointe et de stratégies d’intervention visant la santé et le développement durable des communautés concernées. Spécifiquement, le projetpropose de développer de nouvelles technologies optiques (capteurs automatisés) pour le suivi de molécules organiques et minérales et de gaz climatiquement actifs (GCA) tels que le dioxyde de carbone, le méthane, l'oxyde nitreux et le sulfure de diméthyle dans un Arctique en mutation, et de tester ces outils sur le terrain, en collaboration avec les communautés locales. Cette thèse vise ainsi à répondre à l'urgence d'instaurer des dispositifs permettant de surveiller et de quantifier les échanges et le recyclage des GCA et d’autres molécules associées pour renforcer
les moyens d'analyse et d’adaptation. L’ensemble de ces composés présente des bandes d’absorption dans le MIR, notamment dans la gamme de longueurs d'ondes comprises entre 2
et 5 μm.

Ainsi, la spectroscopie infrarouge est une réponse particulièrement adaptée à la détection de molécules par l’intermédiaire de leurs signatures spectrales [6, 7]. Actuellement, les systèmes de laboratoire de spectroscopie infrarouge sont basés sur plusieurs techniques d’analyse et des équipements couteux et encombrants qui peuvent limiter le développement d’études individuelles. Aussi, l’un des enjeux dans cette gamme de longueurs d’onde du MIR est la conversion des systèmes stationnaires de laboratoire en micro-composants capables d'effectuer
des mesures précises dans des environnements difficiles d’accès. Cette évolution des dispositifs devrait permettre une augmentation de la résolution temporelle et spatiale des mesures. De tels capteurs miniaturisés fonctionnant dans le MIR devront toutefois pouvoir détecter des molécules cibles avec une grande sensibilité en utilisant des matériaux spécifiques et des techniques spectroscopiques révélant l’absorption des molécules dans un environnement sévère tel que l’Arctique (e.g., présence d’eau absorbante dans le moyen infrarouge, très basse température, présence de molécules organiques et minérales en concentration très variable).

Le projet vise ainsi à développer la spectroscopie infrarouge en optique intégrée en associant, sur un même substrat ou module, une source de lumière émettant dans le MIR, des fonctions optiques (par exemple de démultiplexage), un transducteur et un détecteur pour permettre
l’émergence de capteurs compacts dans le MIR. De cette manière, ces dispositifs de type lab-on-chip bénéficieront des réductions de coûts et de taille résultant de l’intégration de multiples composants sur un même substrat comme cela a pu être le cas dans le domaine de la microélectronique.
Les premiers tests seront dirigés vers la détection de molécules à l’état gazeux dans le MIR comme le dioxyde de carbone (CO2) ou le méthane (CH4), qui possèdent des bandes d’absorption entre 3 et 5 μm. Le développement technologique sera au cœur du projet de thèse,
alors que son application en zone de pergélisol en collaboration avec des communautés nordiques (e.g., Cambridge Bay, Nunavut ; Churchill, Manitoba ; Beaver Creek, Yukon) constituera l’objectif applicatif de la thèse.

Références :
[1] http://www.daylightsolutions.com
[2] Rantanen, M., Karpechko, A.Y., Lipponen, A. et al. “The Arctic has warmed nearly four times faster than the globe
since 1979”. Commun Earth Environ 3, 168 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00498-3.
[3] Biskaborn, B.K., Smith, S.L., Noetzli, J. et al. “Permafrost is warming at a global scale”. Nat Commun 10, 264
(2019). https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-4.
[4] Lewkowicz, A.G., Way, R.G. “Extremes of summer climate trigger thousands of thermokarst landslides in a High
Arctic environment”. Nat Commun 10, 1329 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-09314-7.
[5] Hughes-Allen, L., Bouchard, F., Laurion, I. et al. “Seasonal patterns in greenhouse gas emissions from thermokarst
lakes in Central Yakutia (Eastern Siberia)”. Limnology and Oceanography 66(S1), S98-S116 (2021).
https://doi.org/10.1002/lno.11665.
[6] A. Gutierrez-Arroyo, E. Baudet, L. Bodiou, V. Nazabal, E. Rinnert, K. Michel, B. Bureau, F. Colas, J. Charrier.
“Theoretical study of an evanescent optical integrated sensor for multipurpose detection of gases and liquids in the
Mid-Infrared”, Sensors and Actuators B: Chemical in press (2017).
[7] A. Gutierrez-Arroyo, E. Baudet, L. Bodiou, J. Lemaitre, I. Hardy, F. Faijan, B. Bureau, V. Nazabal, and J. Charrier.
“Optical characterization at 7.7 μm of an integrated platform based on chalcogenide waveguides for sensing
applications in the mid-infrared”, Opt. Express, 24, 23109 (2016).

L’Institut Foton a développé un savoir-faire en optique intégrée et en caractérisation optique dans le moyen infrarouge. L’Université de Sherbrooke a un savoir-faire en micro- et nano-technologies et dans le domaine des capteurs. L’association de leurs compétences respectives
va permettre à chaque partenaire d’augmenter le TRL (technology readiness level) de leurs activités de recherche pour aboutir à un démonstrateur sur site d’un capteur par spectroscopie infrarouge miniaturisé et sensible.
L’Université de Sherbrooke (UdeS) est membre du réseau international UArctic (University of the Arctic) et plusieurs professeurs du Département de géomatique appliquée (DGA) et du Centre d’applications et de recherches en télédétection (CARTEL) sont par ailleurs actifs dans
des réseaux stratégiques québécois (FRQNT) comme le Centre d’études nordiques (CEN). La recherche sur la cryosphère (neige, pergélisol) et les écosystèmes aquatiques y est reconnue.

Le sujet de thèse mettra en œuvre des compétences en optique guidée et dans le domaine des capteurs. Une formation de niveau Master 2 ou école d’ingénieur abordant une partie significative de ces domaines est nécessaire pour aborder ce sujet de thèse. Des compétences
en optique guidée, en en micro-technologie, en capteur et en caractérisations optiques seront fortement appréciées. Le (La) candidat(e) retenu(e) devra en outre avoir un intérêt en optique
intégrée, en micro-technologie, en caractérisations expérimentales et de bonnes aptitudes pour le travail en équipe et la communication de ses résultats (oral et écrit).