Contenir et contrôler un liquide sans paroi

Publié par Redbran le 03/07/2020 à 13:00
Source: CNRS INP
En utilisant un champ de forces magnétiques, des chercheurs ont réussi à emprisonner un liquide dans un autre, et à le manipuler. Cette méthode permet de supprimer les parois des circuits fluidiques utilisés en biologie et en chimie qui limitaient leur miniaturisation.


Tomographie par rayons X reconstruite d'un canal d'eau de 81 mm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour...) à l'intérieur d'un ferrofluide. Les deux surfaces vertes marquent les limites intérieures et extérieures du ferrofluide. © Peter Dunne, IPCMS (CNRS/Univ. Strasbourg)

La microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de l'ordre du...) consiste en la miniaturisation de circuits effectuant des opérations logiques à l'aide de fluides, afin de mieux contrôler l'écoulement et n'utiliser que des quantités minimes de liquides. Cela permet une manipulation et un diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation,...) rapides "on-chip". Ces applications dans les domaines de sciences de la vie (La vie est le nom donné :) et la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle...) souffrent néanmoins de limitations. Lorsque la taille des canaux atteint quelques dizaines de micromètres, des problèmes de blocage, de dépôts sur les parois, et surtout de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) augmentant de manière très importante, entraînent de fortes contraintes mécaniques et détériorent la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) des systèmes. Ces difficultés sont liées à l'utilisation de parois rigides pour confiner les écoulements. Une solution radicale consiste à éliminer ces parois grâce à un confinement par champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de forces magnétiques.

Cette technique a été mise au point (Graphie) par des chimistes de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour...) et d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) supramoléculaires (ISIS, Univ. Strasbourg/CNRS) et des physiciens de l'Institut 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 nature ;...) et chimie des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Univ. Strasbourg), en collaboration avec des spécialistes de magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces objets, dits magnétisables, sont...) de Trinity College (Dublin). Ces résultats sont publiés dans la revue Nature.

Un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) paramagnétique (ferrofluide), attiré par les zones de champ fort, enrobe un liquide diamagnétique (eau) confiné dans les zones de champ faible. Utilisant deux liquides non miscibles et des sources de forces magnétiques à géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces...) appropriée, il est ainsi possible de stabiliser une forme cylindrique pour un liquide s'écoulant dans un autre liquide. Dans leur récente publication, ces auteurs ont montré comment il était possible de réaliser les éléments de base d'un circuit microfluidique (vannes, pompes, canaux en Y, mélangeurs...) avec cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), évitant ainsi la plupart des écueils techniques de la microfluidique standard. Au moyen de tomographie par rayons X à haute résolution, il a été possible de démontrer la stabilité de circuit de canaux tubulaires d'un diamètre de 8 microns. En principe, l'optimisation des paramètres des deux fluides en contact doit permettre d'atteindre des tailles submicroniques.

Le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) magnétique possède d'autres avantages: il devient de plus en plus efficace lorsque l'on réduit la taille et il est modifiable à des vitesses records. Dans une perspective de tailles ultimes, les technologies de nanomagnétisme et d'électronique de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...), actuellement utilisées pour le stockage d'informations, pourraient ainsi être mises à profit pour contrôler des circuits de nanofluidique.

Référence:
Liquid flow and control without solid walls. Peter Dunne, Takuji Adachi, Arvind Arun Dev, Allessandro Sorrenti, Lucas Giacchetti, Anne Bonnin, Catherine Bourdon, Pierre H. Mangin, J.M. Coey, Bernard Doudin et Thomas M. Hermans, Nature, le 6 mai 2020.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2254-4

Contacts:
- Peter Dunne - Post-doctorant, Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg- peter.dunne at ipcms.unistra.fr
- Thomas Hermans - Professeur à l'Université de Strasbourg (L’université de Strasbourg (UDS) est une université française située à Strasbourg en Alsace. Son origine remonte à la création du gymnase Jean-Sturm en 1538,...), Institut de science et d'ingénierie supramoléculaires - hermans at unistra.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou...) INP - inp.com at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr
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