Deux équipes du Laboratoire de physique de la matière condensée et des nanostructures (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1) et du Laboratoire de physique des solides (Université Paris-Sud / CNRS), ont réussi à évaluer la rigidité d'un matériau... sans le toucher ! Pour y parvenir, les physiciens ont placé un liquide (La phase liquide est un état de la matière.) entre l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et...) sondé et le "testeur" puis y ont créé un très faible écoulement à l'échelle nanométrique. Issue des dernières avancées en nano-mécanique, cette technique présente l'avantage d'être non invasive et donc non destructrice. Ces travaux pourraient permettre de nombreuses avancées pour analyser et intervenir sur des objets fins et fragiles comme par exemple une bulle ou une cellule. Ils ont été publiés le 18 juin en ligne sur le site de la revue Physical Review Letters.

Une solution simple pour savoir si un objet est dur ou mou est de le toucher avec un autre élément plus dur que lui. Problème, cette technique peut détruire l'objet, surtout s'il est très fragile comme une bulle ou une cellule vivante. Développer une alternative moins invasive était donc primordial. Pour mesurer la rigidité d'un objet sans le toucher, les physiciens ont d'abord envisagé de souffler dessus délicatement et de voir si ce souffle déformait ou non le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.). Mais voilà, contrôler précisément un écoulement d'air est difficile à cause des tourbillons pouvant se former dans l'air. D'où l'idée d'utiliser plutôt un "nano-écoulement" de fluide (Les fluides sont des milieux parfaitement déformables. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines conditions (températures...), plus simple à maîtriser.


Les chercheurs ont notamment testé leur technique sur un fin film d'élastomère (caoutchouc), épais de quelques centaines de nanomètres (1). Concrètement, ils ont placé ce film sur un support rigide en verre (Dans le langage courant, le mot verre sert à désigner un matériau dur, fragile (cassant) et transparent.), et ont plongé le tout dans un mélange (Un mélange est une réunion de deux ou plusieurs substances.) d'eau (L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un composé chimique simple, mais avec des...) et de glycérol. Puis ils ont créé un très faible déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) de ce liquide, au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout point....) du film. Pour générer ce nano-écoulement, les physiciens, et plus particulièrement Samuel Leroy alors en thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du...) au LPMCN (2), ont dû utiliser un appareil spécial, développé en 2000 dans ce même laboratoire (3). Il comprend notamment une sphère millimétrique en pyrex (un verre spécial), attachée à une tige (La tige est chez les plantes à fleurs, l'axe, généralement aérien, qui prolonge la racine et porte les bourgeons et les feuilles. La tige se ramifie...), laquelle peut être déplacée finement avec un système dit "céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre...) piézoélectrique". C'est précisément cette bille qui permet de créer le nano-écoulement à la surface (Il existe de nombreuses acceptions au mot surface, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, souvent abusivement confondu avec sa mesure - l'aire ou la superficie.) d'un objet.

Lorsque la sphère s'approche très près du matériau, à un micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) (0,000 001 mètre), elle pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) le liquide vers l'objet. Ce nano-écoulement génère une très faible pression (La pression est la force exercée sur une surface donnée.) à la surface du matériau. Cette force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force (vertu) » et...) déforme très légèrement le film s'il est souple. En revanche, si l'objet testé est totalement rigide le film reste inchangé.

Les deux équipes ont également découvert que leur procédé permet de mesurer la raideur d'un tapis de bulles, un élément si fragile que le toucher... l'aurait détruit ! C'est la première fois que la possibilité de mesurer les propriétés élastiques d'un objet grâce à un nano-écoulement de fluide est démontrée. Ces premiers travaux ouvrent la voie à une nouvelle méthode d'imagerie à échelle nanométrique pour observer les propriétés élastiques d'objets très minces ou plus massifs.



Notes:

(1) 1 nm = 0,000 000 001 m.

(2) Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ d'application actuel est néanmoins plus restreint : la physique décrit de façon à la fois...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. Elle occupe de l'espace et la quantité de matière se...) condensée et des nanostructures (CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures)....) Claude Bernard Lyon 1).

(3) Appareil développé lors de la thèse de Frédéric Restagno, effectuée sous la direction d'Elisabeth Charlaix, actuellement en poste au Laboratoire interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de physique (CNRS / Université Grenoble 1).


Référence:

Hydrodynamic interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) between a spherical particle and an elastic surface: A gentle probe for soft thin films. Samuel Leroy, Audrey Steinberger, Cécile Cottin-Bizonne, Frédéric Restagno, Liliane Léger and Elisabeth Charlaix. Physical Review Letters. 18 juin 2012.