Development of spiropyran‑PDMS optical waveguides for sensing applications: ultraviolet light and pressure sensors

Résumé

Cette thèse se concentre sur le développement de guides d’ondes optiques souples utilisant une matrice de poly(diméthylsiloxane) (PDMS) et des colorants spiropyranes (SP) afin de leur conférer des fonctionnalités ciblées pour le suivi de la dose de lumière ultraviolette (UV) et la détection de pression avec détection de seuil localisée. Le PDMS a été sélectionné pour sa transparence optique, ses propriétés élastomériques et sa biocompatibilité, comme détaillé dans la revue approfondie de la littérature au Chapitre 1. Les colorants SP ont été choisis pour leur isomérisation réversible en une forme mérocyanine fortement colorée sous irradiation UV, ou lors de l’atteinte de seuils spécifiques de contrainte et de déformation mécaniques. La détection par guide d’onde optique a été adoptée pour ses avantages intrinsèques, notamment la transmission rapide du signal, l’immunité aux interférences électromagnétiques et la compatibilité avec des composants optoélectroniques compacts (par ex., microLEDs et photodétecteurs), permettant une acquisition pratique du signal en conditions réelles. Malgré leur potentiel, la caractérisation systématique des formulations de guides d’ondes en fonction des paramètres de mise en oeuvre, ainsi que l’intégration de molécules réactives SP dans le cadre de la conception de guides d’ondes optiques, étaient demeurées largement inexplorées. Partant de ce constat, des guides d’ondes optiques en PDMS dopés au SP ont d’abord été préparés en incorporant deux dérivés de SP (0,05 % en masse) dans le PDMS par dopage physique pour la dosimétrie UV. L’un des dérivés de SP a permis d’obtenir un capteur fonctionnel présentant une réponse photochromique entièrement réversible, répétable et reproductible. Les paramètres du capteur sont restés stables lors de flexions mécaniques et dépendaient de la température d’essai, de la longueur du guide d’onde et de l’exposition à la lumière blanche ambiante. Ensuite, un plan d’expériences composite central à faces centrées a été appliqué à des guides d’ondes optiques en PDMS pur afin de cartographier systématiquement l’influence du rapport de mélange base/agent de réticulation et des conditions de réticulation sur la sensibilité à la compression transversale, le module sécant, l’indice de réfraction et les pertes de propagation, établissant ainsi le comportement optomécanique de base de ce matériau. Les modèles de surface de réponse qui en ont résulté ont révélé que le rapport de mélange se démarquait comme le principal facteur déterminant de la sensibilité mécanique et du module sécant. Parallèlement, l’indice de réfraction était principalement régi par la température de réticulation, et les pertes de propagation ont montré une faible dépendance linéaire par rapport au rapport de mélange. Enfin, le SP a été incorporé de manière covalente dans la matrice de PDMS et caractérisé à l’aide d’un plan de Box‑Behnken à trois facteurs, introduisant la concentration en SP comme variable supplémentaire. Les guides d’ondes ainsi obtenus ont démontré une détection optomécanique quantitative dans la plage des basses pressions (0–100 kPa) ainsi qu’une réponse visuelle mécanochromique induite par la déformation à des compressions plus élevées (0,9–2,4 MPa), avec des seuils d’activation compatibles avec les données biomécaniques relatives aux contusions chez l’humain. En accord avec l’étude sur le PDMS pur, le rapport de mélange régissait la sensibilité à la compression et le module sécant. Cependant, la concentration en SP dominait l’indice de réfraction et les pertes de propagation en raison de sa forte réfractivité molaire et du fait que ces molécules agissaient comme des centres d’absorption et de diffusion optiques. À travers tous les plans d’expériences, les réponses de ces matériaux ont été interprétées dans le cadre de la science des polymères, en reliant les réponses macroscopiques aux variations de la densité de réticulation, aux défauts du réseau, à la densité du matériau et aux changements caractéristiques des bandes d’absorption UV‑Vis et ATR‑FTIR. En résumé, cette thèse établit des fondements systématiques pour la conception rationnelle de capteurs à guides d’ondes optiques élastomériques multifonctionnels destinés aux applications des dispositifs de santé portables et de la robotique molle.

Date	13 août 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Bora Ung (Directeur(-trice))