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Posté par Michel le Mercredi 20/06/2012 à 12:00
Comment évaluer la rigidité d'un objet sans le toucher
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 (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal, essentiel pour la survie et le développement des êtres vivants,...) ! Pour y parvenir, les physiciens ont placé un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) 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 qui peut...) sondé et le "testeur (Un testeur, en informatique, est une personne chargée de tester le logiciel produit par les programmeurs, et de livrer à intervalles...)" 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 (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude,...) est difficile à cause des tourbillons pouvant se former dans l'air. D'où l'idée d'utiliser plutôt un "nano-écoulement" de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans...), plus simple à maîtriser.


Gros plan de la sphère en Pyrex (Le pyrex est un verre borosilicate présentant un faible coefficient de dilatation. Il est principalement utilisé pour les optiques non...) et du plan en Pyrex sur lequel est déposé le film élastique nanométrique.
On distingue la petite goutte de liquide qui sert de sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela...).
© Richard Villey et Frédéric Restagno

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 (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est...), et ont plongé le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) dans un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) 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 déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale, le...) 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. En...) 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 sujet ou du thème qu'il évoque.) 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 généralement en branches et rameaux...), 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 qui ont subi une transformation physico-chimique irréversible au cours d’une...) piézoélectrique". C'est précisément cette bille qui permet de créer le nano-écoulement à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) 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 une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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 (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit...) à échelle nanométrique pour observer les propriétés élastiques d'objets très minces ou plus massifs.


Vue élargie du dispositif.
© Richard Villey et Frédéric Restagno


Notes:

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

(2) Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) 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,...) 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...) Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le 10 février 1878 à Paris, est un...) 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...) 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.


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Source: CNRS