Utiliser le son pour déplacer des particules
Publié par Redbran le 03/05/2016 à 12:00
Source et illustrations: CEA

© CEA
Une équipe de chercheurs du CEA et de l'Université Grenoble Alpes a élaboré un nouveau procédé de manipulation dynamique des micros ou nanoparticules. Celui-ci est basé sur la mise en œuvre de vibrations sonores. Le résultat de leurs recherches est publié lundi 2 mai 2016 dans Physical Review Letters. La manipulation sans contact d'objets microscopiques est un vrai défi pour un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'applications en nano et micro-technologies. S'agissant par exemple de cellules ou des bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une...), la possibilité de les déplacer, précisément et sans contact, pour les agencer selon des motifs réguliers peut faire gagner un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) considérable et précieux en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de certaines analyses biologiques.

La force de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de...) du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont...) 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.)

Des techniques optiques existent déjà pour permettre de déplacer sans contact des objets en tirant parti de la force de radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple :...) (1). Toutefois, ce type de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) reste relativement lourd à mettre en œuvre et pose des problèmes d'échauffement 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...) par absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une...).

Une autre approche, suivie par l'équipe de chercheurs conduite par le CEA Leti avec leurs collègues de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Grenoble Alpes, est de tirer parti des ondes sonores pour déplacer les objets. En effet, le son est également capable d'exercer des forces à distance, ou de mettre en route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) des écoulements dans un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides...). Ces effets sont non linéaires, c'est à dire proportionnels au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même...) du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) 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.) acoustique, et sont non négligeables à forte amplitude (Dans cette simple équation d’onde :). Il est possible de montrer qu'il existe essentiellement deux effets: la force de radiation acoustique, analogue de la force optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) citée plus haut, et le phénomène de 'vent acoustique" (en anglais "acoustic streaming (Le streaming (de l'anglais stream, "courant"), lecture en flux ou lecture en continu, aussi appelé lecture directe, lecture en transit, diffusion en...)").

C'est ce second effet qui a été utilisé par les chercheurs dans le but de déplacer des microbilles afin de pouvoir les agencer selon des motifs prédéfinis (Figure 1). En pratique, ce 'vent acoustique' peut être considéré comme la mise en mouvement d'un fluide au moyen d'une oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) d'une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension physiologique, le son désigne la...) à plus haute 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 le mot fréquence sans...). A forte amplitude, ce phénomène de vent acoustique apparaît: c'est la réciproque (La réciproque est une relation d'implication.) du phénomène de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) aéroacoustique créé par les tourbillons présents dans le sillage turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la Royal Navy.) d'un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) à grande vitesse (On distingue :). En effet, le son peut créer des tourbillons, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme les tourbillons créent du son.



Figure 1: Vue de dessus de la cavité (de rayon 800 microns) avec agencement des billes (40 micron de diamètre) en fonction de la fréquence des ultrasons. Les lignes blanches pointillées sont les nœuds de vibration: on observe que les particules s'agrègent aux ventres de vibration. Illustration: © CEA

Des microbilles qui bougent au rythme d'un tambour microfluidique

Les chercheurs ont réalisé à l'échelle micrométrique un analogue d'un tambour musical. Afin d'exciter les vibrations de cette membrane réalisée en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), plutôt que d'utiliser des baguettes comme dans le cas d'un tambourin, les chercheurs utilisent un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés...) piezo électrique déposé en couches minces sur le substrat. Ce type de matériau permet de convertir une tension (La tension est une force d'extension.) électrique alternative en une déformation alternative du matériau, donc une vibration. Par ailleurs, le silicium confère une grande qualité à la membrane, permettant de réaliser des résonances bien définies.

Le système se compose d'une membrane, d'une épaisseur de seulement 6 microns et d'un 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...) de l'ordre du millimètre, située au fond d'une cavité de même taille gravée dans le silicium. Lorsque cette membrane est utilisée en milieu liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), les chercheurs observent que des micro-billes (typiquement avec un rayon de l'ordre de la dizaine de microns) s'agencent selon des motifs réguliers qui sont directement fonction de la fréquence utilisée pour l'excitation. Ce phénomène, nommé figures acoustiques de Chladni (voir l'encadré ci-dessous), n'est pas nouveau. Ici, à la différence des expériences de Chladni, le comportement observé et la 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...) en jeu sont modifiés à la fois par la finesse de la membrane – plus elle est fine, plus les fréquences de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se...) augmentent - et l'utilisation en milieu liquide. En amincissant le substrat, il est possible de reproduire des figures de Chladni dites inverses: les particules migrent alors au ventre de vibration (2) et non plus aux nœuds- (voir figure 2).


?Figure 2: Des micro-vortex de vent acoustique. Pour une fréquence donnée, le "vent acoustique" (streaming) créé par la membrane vibrante produit un micro-écoulement dans le liquide. Ce micro-écoulement est tel qu'il transporte les microbilles vers les ventres de vibration de la plaque?. Illustration: © CEA

Le résultat de ces recherches ouvre dès lors la possibilité d'un nouveau type de manipulation dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) en milieu liquide, relativement simple, de micro ou nanoparticules, permettant de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'un mode de vibration à un autre et de créer ou défaire des motifs de façon quasi instantanée. Dans cet article de Physical Review Letters, les chercheurs reportent la mise au point (Graphie) de ce procédé mais aussi un phénomène de mise en rotation des microbilles de puits en puits à la manière d'un pendule de Newton (Le pendule de Newton est un pendule particulier se composant de cinq billes et permettant d'illustrer les théories de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie.). Les billes semblent alors danser dans la cavité à la manière d'une farandole (voir la vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à l'électronique et non de type photochimique....) ci-dessous). A ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...), les chercheurs travaillent à comprendre l'origine de cette rotation collective spontanée au fond d'une cavité de diamètre millimétrique qui présente un grand intérêt en microfluidique où le brassage de microparticules reste difficile à opérer.?

Chladni, un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui connaît la...) à l'oreille (L'oreille est l'organe qui sert à capter le son et est donc le siège du sens de l'ouïe, mais elle joue également un rôle important dans l'équilibre. Le mot peut référer au système entier,...) musicale:
En 1789, le physicien Ernst Chladni a mis en vibration, par le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) d'un archet de violon, un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...) sur lequel de fins grains de sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches...) avaient été déposés. Il remarque que ceux-ci s'agençaient alors selon des motifs géométriques réguliers qui dépendaient directement du type de son joué par son archet. Depuis cette expérience, ce phénomène a été relativement bien étudié et différents agencements ont été obtenus et répertoriés comme 'les figures acoustiques de Chladni'. Dans la plupart des cas, on observe que les particules migrent vers les nœuds de vibration de la plaque, c'est à dire vers les régions ou la vibration est minimale.?

Notes:

(1) A ne pas confondre avec les rayonnements ionisants, la force (ou pression) de radiation est la pression exercée sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) exposée à un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.). Elle a pour origine le transfert d'impulsion du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) lors de sa réflexion sur un corps. Si elle agit sur d'assez petites particules, elle peut être du même ordre de grandeur que leur attraction gravitationnelle et avoir de ce fait un impact non négligeable.

(2) Lorsqu'une plaque vibre, une 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 physique, qui forme une figure dont certains...) s'établit et l'on parle alors de ventre de vibration pour définir les zones dans lesquelles cette vibration est maximale (et respectivement de nœuds pour les zones ou la vibration est minimale).?


Pour plus d'information voir:
?Chladni Patterns in a Liquid at Microscale?, Gaël Vuillermet, Pierre-Yves Gires, Fabrice Casset, and Cédric Poulain; Phys. Rev. Lett. 116, 184501 – Published 2 May 2016?; DOI: ??10.1103/PhysRevLett.116.184501
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