Des chercheurs chinois ont mis au point une nouvelle méthode pour manipuler des objets sur des surfaces solides à l’aide de vibrations structurées de manière spécifique, permettant de confiner des particules et d’autres petits objets, de les déplacer sur des trajectoires circulaires ou de les faire tourner, sans les systèmes complexes de commande électronique normalement nécessaires pour générer un tel mouvement.
Cette nouvelle approche intègre essentiellement les instructions permettant de créer ces motifs de vibration spécialisés directement dans la structure d’une plaque mince. L’approche fonctionne à plusieurs échelles de taille, depuis des particules submillimétriques jusqu’à des structures légères de taille centimétrique. L’étude a été publiée dans Advanced Science le 19 septembre.
Les champs d’ondes structurés offrent un moyen prometteur de manipulation d’objets sur des surfaces solides, avec des applications potentielles en micromécanique, en microrobotique et en fabrication intelligente. Un type particulièrement utile est l’onde vortex, dans laquelle l’onde forme un motif tourbillonnant autour d’un point central. Ces ondes présentent des profils de phase hélicoïdaux et transportent un moment cinétique orbital (OAM), qui peut être transféré aux objets pour induire des mouvements de rotation et orbitaux.
Cependant, la génération conventionnelle de champs vortex repose souvent sur des réseaux phasés multicanal ou des systèmes à front d’onde contrôlé dynamiquement, nécessitant une électronique complexe et une synchronisation de phase précise.
Pour relever ce défi, une équipe de recherche dirigée par le professeur ZHAO Liuxian et le professeur YANG Jun, de l’Institut d’acoustique (IOA) de l’Académie chinoise des sciences (CAS), en collaboration avec le professeur BI Chuanxing de l’Université de technologie de Hefei, a développé une plateforme passive à codage en sous-longueur d’onde pour générer des vortex d’ondes de flexion et les utiliser pour manipuler des objets sur des surfaces solides.
La plateforme utilise des unités labyrinthiques sublongueur d’onde comme modulateurs de phase locaux. Au lieu de contrôler électroniquement la phase des ondes, les chercheurs ont codé directement dans l’agencement spatial de ces structures le profil de phase azimutal nécessaire à la production d’un vortex cible.
Il est ainsi possible de générer sur une plaque mince des vortex d’ondes de flexion aux charges topologiques prescrites en utilisant uniquement une excitation monocanal, sans modulation de phase électronique.
Les expériences ont révélé un net enroulement de phase azimutal, un cœur de vortex de faible amplitude et une singularité de phase, confirmant la formation du champ vortex souhaité. La distribution d’amplitude non uniforme du champ crée une tendance efficace au confinement radial, qui aide à maintenir les objets dans une région donnée. Parallèlement, l’OAM associé au gradient de phase azimutal assure une propulsion tangentielle par transfert de quantité de mouvement. Ensemble, ces effets permettent de confiner les objets, de les transporter le long de trajectoires orbitales ou de les faire tourner.
La plateforme a également permis la manipulation d’objets à plusieurs échelles, depuis des particules submillimétriques et millimétriques jusqu’à des structures légères de taille centimétrique. Les particules submillimétriques ont pu être confinées près du cœur du vortex ou transportées le long de trajectoires orbitales dans la région environnante, tandis que les particules millimétriques présentaient un mouvement orbital borné stable. Des structures légères de taille centimétrique ont également pu subir une rotation soutenue sous le champ vortex.
Les chercheurs ont également constaté que le sens du mouvement pouvait être contrôlé dès la conception. Inverser le signe de la charge topologique codée dans la structure inverse le gradient de phase azimutal et la direction de l’OAM, faisant passer le mouvement orbital des particules du sens horaire au sens antihoraire, ou inversement. Les résultats démontrent une correspondance claire entre le codage de phase structurel, l’OAM et le mouvement des objets.
Selon les chercheurs, l’étude démontre un schéma de manipulation passive par ondes élastiques fondé sur le précodage structurel, l’excitation monocanal et la reconstruction du champ vortex, étendant les vortex d’ondes de flexion codés dans la structure de la génération de champs d’ondes à la manipulation d’objets sur des surfaces solides.
Ils ont ajouté que cette approche pourrait offrir de nouvelles opportunités pour le transport de particules en surface, l’actionnement micromécanique, les structures intelligentes et les systèmes « laboratoire sur surface ».
Article : Passive Metasurface Tweezers for Multi-Scale Orbital Transport and Trapping on Elastic Plates – Journal : Advanced Science – DOI : Lien vers l’étude
Source : CAS
