Utiliser le son pour déplacer des particules !
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 de 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.
Des techniques optiques existent déjà pour déplacer sans contact des objets en tirant parti de la force de radiation. Toutefois, cette technologie reste relativement lourde 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. 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 aéro-acoustique 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.
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, un matériau piezo électrique déposé en couches minces sur le substrat à été utilisé. Par ailleurs, le silicium confère une grande qualité à la membrane, permettant de réaliser des résonances bien définies.
Ainsi, 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 microbilles (typiquement, d’une 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, 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, autorisant de hautes fréquences de résonance, 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 et non plus aux nœuds.
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.
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