Piéger et manipuler un objet sans contact avec un faisceau acoustique
Publié par Redbran le 28/04/2016 à 12:00
Source: CNRS-INSP
En sculptant le front d'onde d'un faisceau ultrasonore, des physiciens ont réalisé la première pince acoustique et l'ont utilisée pour piéger et manipuler un objet élastique de taille submillimétrique.

Une onde sonore suffisamment intense peut soulever des particules solides ou fluides, voire même des organismes vivants et des petits animaux, de taille centimétrique. Cette opération nécessite 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...) tridimensionnel de maxima et minima d'intensité acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique vibratoire.) à l'aide de l'onde stationnaire (Une onde stationnaire est le phénomène résultant de la propagation simultanée dans des directions différentes de plusieurs ondes de même fréquence, dans le même milieu...) produite par un système de plusieurs émetteurs et de réflecteurs. L'avantage de cette lévitation (La lévitation est le fait, pour un être ou un objet, de se déplacer ou de rester en suspension au-dessus du sol, sous l'effet d'une force plus forte que la gravitation, sans contact...) en réseau, qui agit en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) sur un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de particules, est aussi sa principale limitation. Il s'avère impossible de manipuler les particules une à une comme le font si bien les pinces optiques dont les faisceaux laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) focalisés permettent à des objets individuels de taille micrométrique de léviter.

C'est pourtant ce que viennent de réaliser des physiciens 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.) des Nanosciences de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien,...) (CNRS/UPMC) et de l'Institut Jean le Rond ( Le mot rond caractérise et par abus de langage désigne un cercle ou une sphère. En argot, un rond c'est un sou. Une affaire rondement menée est une affaire traitée rapidement en ayant passé...) d'Alembert (UPMC/CNRS) en réalisant la première "pince (Une pince est un dispositif mécanique ou un outil, ayant pour fonction de pincer quelque chose d'autre, c'est-à-dire serrer pour saisir ou maintenir.) acoustique". Ils ont piégé et manipulé une bille de polystyrène d'une centaine de micromètres 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...) avec un unique faisceau ultrasonore progressif et focalisé. La zone focale de ce faisceau d'un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'environ un millimètre cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus...) agit comme un piège tridimensionnel capable d'attirer des objets situés à proximité en exerçant une 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 »...) jusqu'à un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un (1 000 001). Il vaut un millier de...) de fois plus grande qu'un laser pour une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) incidente comparable. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.


Schéma de la "pince acoustique" à faisceau ultrasonore unique.
120 transducteurs piézoélectriques disposés sur un plan d'émission génèrent un vortex acoustique. Ces faisceaux particuliers créent une zone sur l'axe de propagation où l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) acoustique est nulle. Les chercheurs ont démontré qu'une particule élastique située à proximité de ce "cœur de silence" est attirée par une force acoustique tri-dimensionnelle. © APS/Alan Stonebraker
Une pince optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) est constituée d'un faisceau laser focalisé dans lequel on place une particule transparente. Telle une lentille, cette dernière dévie la 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 (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) qui la traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des...). Il en résulte une force qui attire la particule dans les zones où l'intensité lumineuse est maximale, c'est-à-dire sur l'axe du faisceau, à son point (Graphie) de focalisation. En outre, dès que la particule réfléchit ou absorbe la lumière, il apparait une force qui la pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) dans la direction de propagation du faisceau, et cela de manière bien plus intense que la force de capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à sa satellisation...). Les ondes sonores produisent exactement le même type de force, mais hélas, il n'existe pas d'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 être désigné...) solide qui soit "transparent" aux ondes acoustiques. Tous les objets absorbent ou réfléchissent les ondes acoustiques et la force de poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de...) est donc toujours présente. C'est pour cette raison que jusqu'à présent, toutes les techniques de manipulation acoustique mettaient en œuvre des ondes stationnaires qui annulent cette poussée, ou une paroi qui bloque la particule piégée.

Les physiciens de l'INSP et de d'Alembert ont contourné cette difficulté en réalisant un faisceau acoustique "creux". Dans ce "vortex acoustique", le front de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) décrit une hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de l'axe de propagation où le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) s'annule. Ce champ acoustique particulier est synthétisé grâce à un réseau de 120 transducteurs piézoélectriques émettant des ultrasons d'une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie...) de 1 mégahertz. Ces émetteurs sont répartis sur un pavage (Un pavage (ou dallage) est une partition d'un espace (généralement un espace euclidien comme le plan ou l'espace tridimensionnel) par un ensemble fini d'éléments appelé tuiles (plus précisément, ce sont des compacts d'intérieur non vide)....) hexagonal compact dont les chercheurs contrôlent indépendamment la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) et l'amplitude d'émission afin d'obtenir le front d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) désiré (voir schéma). Une lentille acoustique spécialement conçue pour l'expérience focalise ce faisceau à une distance de 8 centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.) des émetteurs. Le faisceau émis agit comme un piège qui attire tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) solide élastique de taille inférieure à la 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...) d'onde, situé à proximité, vers l'œil du "cyclone (Un cyclone (du grec kyklos, cercle) est un terme météorologique qui désigne une grande zone où l'air atmosphérique est en rotation autour d'un centre de basse pression...)" où il reste définitivement piégé. Les options pour manipuler l'objet sont alors de déplacer physiquement l'émetteur ou de contrôler électroniquement la position de la focale. Avec ce dispositif, les chercheurs ont piégé et manipulé des sphères de polystyrène de 200 à 400 micromètres de diamètre avec des forces maximales de l'ordre de 1 micro-newton.

Il devient ainsi possible d'envisager de manipuler des objets dans des milieux opaques et complexes, autrement inaccessibles aux pinces optiques, avec des forces pertinentes pour sonder et étudier des milieux mous, complexes et biologiques.

Pour plus d'information voir:
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...) of a single-beam gradient force acoustical trap for elastic particules: acoustic tweezers
D. Baresch(1), J.-L. Thomas(1) et R. Marchiano(2)
Physical Review Letters, le 11 janvier 2016.

(1) Institut des Nanosciences de Paris (INSP)
(2) Institut Jean le Rond d'Alembert
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