Des chercheurs ont expliqué en détail la physique d’un phénomène qui leur permet de créer un effet de rotation dans des gouttelettes de liquide à l’aide d’ondes ultrasonores, qui concentrent les particules solides en suspension dans le liquide. Cette découverte permettra aux chercheurs de mettre au point des technologies utilisant cette technique pour développer des applications dans des domaines tels que les tests biomédicaux et le développement de médicaments.
« En créant des ondes ultrasonores à la surface d’un substrat piézoélectrique, nous pouvons induire une rotation dans une gouttelette de liquide reposant sur ce substrat », raconte Chuyi Chen, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à l’université d’État de Caroline du Nord et co-auteur principal d’un article sur ces travaux. « L’oscillation des ondes ultrasonores pousse le fluide à l’intérieur de la gouttelette à s’écouler en cercle, mais la tension superficielle de la gouttelette l’empêche de s’étaler en une feuille plate. La combinaison des forces exercées par les ondes ultrasonores, la gouttelette en rotation et le fluide se déplaçant à l’intérieur de la gouttelette pousse les particules à l’intérieur de la gouttelette à se déplacer de manière hélicoïdale, essentiellement en tire-bouchon à travers la gouttelette pour se rassembler en un point central. »
« Il s’agit d’un nouveau moyen de concentrer des particules solides dans une solution liquide, ce qui peut s’avérer extrêmement utile », ajoute M. Chen. « Par exemple, la concentration du contenu d’une cellule pourrait permettre aux capteurs de détecter plus facilement les matériaux pertinents pour les essais biomédicaux. »
Mais pour développer des technologies qui exploitent ce phénomène, les chercheurs doivent comprendre exactement ce qui en est à l’origine.
« Cet article constitue une avancée significative, car il expose en détail la physique responsable du contrôle des particules à l’intérieur de la gouttelette », explique M. Chen. « Maintenant que nous comprenons les forces en jeu, nous pouvons prendre des décisions éclairées et mettre au point des technologies permettant de concentrer les particules dans un échantillon liquide de manière contrôlée. »
L’un des principaux aspects de ces résultats est qu’il est possible d’influencer le mouvement des particules à l’intérieur de la gouttelette en manipulant l’un des paramètres suivants : la tension superficielle du liquide, le rayon de la gouttelette et l’amplitude des ondes ultrasonores.
« Nous disposons ainsi de plusieurs mécanismes pour régler avec précision la rotation du système et le comportement des particules », précise M. Chen.
Outre son utilité potentielle dans les applications biomédicales, la nouvelle technique est également prometteuse pour l’exploration d’une série de questions de recherche liées à la physique des systèmes rotatifs.
« Par exemple, nous pouvons créer des écoulements tourbillonnaires semblables à des tornades ou étudier le transport induit par Coriolis à très petite échelle », conclut M. Chen. « Cela nous permet d’explorer des questions de physique d’une manière compacte, facilement observable et relativement peu coûteuse, par rapport à des techniques à plus grande échelle. »
L’article, intitulé « Acoustofluidic Spin Control for 3D Particle Manipulation in Droplets », est publié dans la revue en libre accès Science Advances. Le co-auteur principal de l’article est Yuyang Gu de l’université de Binghamton. Les co-auteurs de l’article sont Tony Jun Huang de l’université Duke et Luke Lee de la Harvard Medical School, de l’université de Californie à Berkeley, de l’université Sungkyunkwan et de l’université Ewha Womans. L’article a été cosigné par Joseph Rufo, Jinxin Zhang et Kaichun Yang de l’université Duke. DOI : 10.1126/sciadv.adx0269
