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Déplacement de particules par un vent acoustique

17 Mai 2016, 19:08pm

Publié par Grégory SANT


© 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 d'applications en nano et micro-technologies. S'agissant par exemple de cellules ou des bactéries, la possibilité de les déplacer, précisément et sans contact, pour les agencer selon des motifs réguliers peut faire gagner un temps considérable et précieux en vue de certaines analyses biologiques.

La force de déplacement du vent acoustique

Des techniques optiques existent déjà pour permettre de déplacer sans contact des objets en tirant parti de la force de radiation (1). Toutefois, ce type de technologie reste relativement lourd à mettre en œuvre et pose des problèmes d'échauffement de la matière par absorption.

Une autre approche, suivie par l'équipe de chercheurs conduite par le CEA Leti avec leurs collègues de l'Université 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 des écoulements dans un fluide. Ces effets sont non linéaires, c'est à dire proportionnels au carré du champ de pression acoustique, et sont non négligeables à forte amplitude. Il est possible de montrer qu'il existe essentiellement deux effets: la force de radiation acoustique, analogue de la force optique citée plus haut, et le phénomène de 'vent acoustique" (en anglais "acoustic streaming").

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 d'une onde acoustique à plus haute fréquence. A forte amplitude, ce phénomène de vent acoustique apparaît: c'est la réciproque du phénomène de bruit aéroacoustique créé par les tourbillons présents dans le sillage turbulent d'un véhicule à grande vitesse. En effet, le son peut créer des tourbillons, tout 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, plutôt que d'utiliser des baguettes comme dans le cas d'un tambourin, les chercheurs utilisent un matériau piezo électrique déposé en couches minces sur le substrat. Ce type de matériau permet de convertir une tension 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 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, 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 en jeu sont modifiés à la fois par la finesse de la membrane – plus elle est fine, plus les fréquences de résonance 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 en milieu liquide, relativement simple, de micro ou nanoparticules, permettant de passer 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 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. Les billes semblent alors danser dans la cavité à la manière d'une farandole (voir la vidéo ci-dessous). A ce jour, 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 à l'oreille musicale:
En 1789, le physicien Ernst Chladni a mis en vibration, par le frottement d'un archet de violon, un disque de cuivre sur lequel de fins grains de sable 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.?

Source : techno-science.net

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