Nouvelle génération de membranes artificielles magnétiques
Publié par Redbran le 10/10/2019 à 14:00
Source et illustrations: CEA IRIG

Les chercheurs du laboratoire Spintec ont développé un nouveau type de membrane biocompatible. Leur grand potentiel réside dans leur capacité à être actionnées à distance par un champ magnétique externe. Elles présentent des applications potentielles en optique adaptative (L'optique adaptative est une technique qui permet de corriger en temps réel les déformations évolutives et non-prédictives d'un front d'onde grâce à un miroir déformable.), dans les dispositifs photoniques, mais aussi en biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'intérêt biologique.), 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 des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...) et dans le domaine biomédical.

Les membranes artificielles sont de plus en plus étudiées, particulièrement en biologie et en santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.), pour comprendre le vivant et à des fins thérapeutiques, ou dans les domaines liés à l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) pour être utilisées comme dispositifs photoniques flexibles. Ces membranes sont souvent constituées de films de polydiméthylsiloxane (PDMS), un polymère utilisé depuis des décennies pour son module élastique ajustable, sa biocompatibilité et sa transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi, le verre...).

Les chercheurs du laboratoire Spintronique et Technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) des Composants (Spintec) ont développé un nouveau type de membrane en partie dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend, son argument, change. Plus précisément, une dérivée est une expression (numérique ou algébrique) donnant le...) des études menées sur les particules magnétiques pour la biologie (comme, par exemple, celles utilisées pour la destruction de cellules cancéreuses induite par les vibrations magnéto-mécaniques). Ces membranes innovantes incorporent des réseaux périodiques 2D de particules magnétiques (Figure). Elles sont biocompatibles et peuvent être actionnées magnétiquement. Leur grand potentiel réside dans leur capacité à être actionnées à distance par un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) externe ; d'un état planaire (Les planaires sont des vers plats libres nageurs ou rampants. Des espèces vivent en mer, d'autres en eau douce, jusque dans les sols très humides.) en champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) nul, elles deviennent concaves sous l'action d'un champ magnétique appliqué. Elles constituent ainsi des réseaux de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les...) pour le visible, réseaux dont les déformations sont finement réglées magnétiquement. Les réponses optiques expérimentales contrôlées magnétiquement montrent des tâches d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît...) (Figure) qui s'étirent progressivement en séries de franges lorsque le champ magnétique est appliqué. Ces figures de diffraction sont en excellent accord avec les modèles analytiques magnéto-mécaniques et optiques qui sont développés à Spintec. Des déformations de quelques microns peuvent être maîtrisées sur des membranes de diamètres centimétriques.

Plus généralement, ces résultats suggèrent que ce type de membranes magnéto-élastiques biocompatibles et actionnables présente des applications potentielles en optique adaptative, dans les dispositifs photoniques, mais aussi en biophysique, en biologie et dans le domaine biomédical.


A - Photographie de membranes suspendues sur les trous gravés en face arrière de la plaque de silicium. Zoom: photographie en microscope électronique à balayage du 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 »,...) de plots magnétiques (Ni80Fe20) intégré dans la membrane, constituant le réseau de diffraction 2D déformable.
B - Schéma de l'actionnement magnétique d'une membrane illuminée par un faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le...). Initialement plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité...), la membrane est déformée par l'approche d'un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des...).
C - Figure de diffraction fortement impactée par de faibles déflexions de la membrane.

Ces membranes innovantes sont constituées de bicouches PDMS/Au d'épaisseurs 5μm/100nm, 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...) ~1cm, intégrant des réseaux de piliers magnétiques de permalloy (alliages de Ni et Fe) préparés par des techniques lithographiques à la plate-forme PTA du CEA-Grenoble.

Références:
Joisten H, Truong A, Ponomareva S, Naud C, Morel R, Hou Y, Joumard I, Auffret S, Sabon P and Dieny B
Optical response of magnetically actuated biocompatible membranes.
Nanoscale, 2019
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