Des nanobâtonnets comme sondes ultimes de l'écoulement des fluides

Publié par Redbran le 07/11/2017 à 12:00
Source: CNRS-INP
Grâce à la synthèse de nanobâtonnets de phosphate de lanthane, des chercheurs sont parvenus à cartographier expérimentalement l'écoulement d'un fluide dans des canaux de très petite taille.

Comment s'écoule un fluide dans un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on...) capillaire plus ou moins complexe ? Cette question est à la base de nombreuses études, comme celles sur la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) dans les vaisseaux sanguins afin de comprendre, par exemple, l'accumulation contre les parois de matières lipidiques à l'origine de l'athérosclérose. En parallèle de simulations d'hydrodynamiques toujours plus performantes, les études expérimentales se heurtent à la difficulté de caractériser des écoulements à toute petite échelle, de l'ordre de quelques centaines de nanomètres.


a: image de microscopie électronique à balayage des nanobâtonnets de LaPO4
b: schéma montrant l'alignement des nanobâtonnets dans un écoulement sous l'effet des forces de cisaillement
c: Schéma d'un canal 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...) ayant été étudiée
d: cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit...) du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de cisaillement dans le 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...) en écoulement

Une équipe de chercheurs a synthétisé des nanocristaux de phosphate (Un phosphate, en chimie inorganique, est un sel d'acide phosphorique résultant de l'attaque d'une base par de l'acide phosphorique.) de lanthane (Le lanthane est un élément chimique, de symbole La et de numéro atomique 57.) (LaPO4) ayant la forme de bâtonnets de 10 nm 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...) et 200 nm de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...). Ils ont montré que ces petits bâtonnets s'alignent sous l'effet des forces de cisaillement qui accompagnent l'écoulement du fluide dans lequel ils sont dispersés ; un peu comme des bûches flottant sur une rivière (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la gravité et qui se jette dans une autre rivière ou dans un fleuve, contrairement au fleuve...) finissent par s'orienter dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) du courant. De plus, l'insertion d'ions luminescents comme l'europium (L'europium est un élément chimique, de symbole Eu et de numéro atomique 63.) (Eu3+) dans ces nanocristaux confère aux bâtonnets des propriétés d'émission de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) fortement polarisée. Autrement dit, la forme du spectre d'émission observé dépend de l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la...) du bâtonnet (En biologie, le bâtonnet (ou « cellule en bâtonnet ») est une cellule réceptrice situé au fond de l'œil et composant, avec les cônes, les cellules photosensibles de la...). Dans ces conditions, une mesure simple de la lumière émise par ces bâtonnets permet de retrouver assez directement leur orientation spatiale.

Partant de ces deux effets – l'alignement des bâtonnets dans un écoulement et la possibilité de déterminer leur orientation par observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) au microscope – l'idée développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites...) dans cet article consiste à utiliser ces bâtonnets pour analyser, en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel et avec une résolution inégalée, l'écoulement d'un fluide dans un canal fluidique de taille micrométrique. Ce travail ouvre des perspectives prometteuses pour la compréhension fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de phénomènes liés aux écoulements d'un fluide dans des canaux complexes. Au-delà, ces sondes d'orientation pourraient également être utilisées en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie...), pour suivre in-situ les mécanismes liés à la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) d'orientation de bio-macromolécules, par exemple des protéines comme la myosine, afin d'en expliquer les propriétés et leurs modes d'action.

Ce travail particulièrement pluridisciplinaire publié dans la revue Nature Nanotechnology a mobilisé les compétences des chercheurs de différentes communautés en 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 partage des espaces d'investigations communs...) et 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 ;...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), en spectroscopie et microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) et en hydrodynamique, dans le cadre d'une collaboration internationale franco-néerlandaise impliquant le Laboratoire de physique 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. La matière occupe de l'espace et...) condensée et le Laboratoire d'hydrodynamique (CNRS, Ecole Polytechnique, 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). Aux...) Paris- Saclay) et 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...) Van't Hoff pour les Sciences Moléculaires (Université d'Amsterdam).

Référence publication:
Monitoring the orientation of rare-earth doped nanorods for flow shear tomography
JW Kim, S. Michelin, M. Hilbers, L.Martinelli, E. Chaudan, G. Amselem, E. Fradet, J-P. Boilot, A.M. Brouwer, C. N. Baroud, J. Peretti et T. Gacoin
Nature Nanotechnology (2017), doi:10.1038/nnano.2017.111

Contact chercheur:
Thierry Gacoin, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) 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).)

Informations complémentaires:
Laboratoire de physique de la matière condensée (LPMC, CNRS/X)
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