Déplacement d’objets par lévitation acoustique

Transporter de la matière sans contact peut avoir bien des intérêts, tant pour l’étude de nombreux phénomènes physiques que pour des processus biochimiques. Des scientifiques de l’Eidgenössische Technische Hochschule  (ETH), Zürich, Suisse, viennent de franchir un grand pas dans cette direction. Ils ont en effet réalisé un système permettant un déplacement plan continu de particules solides ou de gouttes maintenues en lévitation dans l’air.  On obtient ainsi un véritable manipulateur d’objets sans contact.

Fig.1. Schéma du manipulateur sans contact de gouttes par lévitation avec son mécanisme d’excitation. Dans cet exemple, on introduit les gouttelettes en trois endroits (entrées 1,2 et 3) dans un système de lévitation. Celui-ci est constitué ici de 7 transducteurs piézoélectriques disposés selon l’arrangement 5-1-2 et placés à une distance H d’un réflecteur acoustique plan en Altuglas. Les gouttes introduites sont déplacées et mises en contact, le mélange qui en résulte est évacué par la buse de sortie. Les gouttes peuvent être introduites soit manuellement avec une micropipette, soit automatiquement. Crédit PNAS.

Fig.1. Schéma du manipulateur sans contact de gouttes par lévitation avec son mécanisme d’excitation. Dans cet exemple, on introduit les gouttelettes en trois endroits (entrées 1, 2 et 3) dans un système de lévitation. Celui-ci est constitué ici de 8 transducteurs piézoélectriques disposés selon l’arrangement 5-1-2  de la figure et placés à une distance H d’un réflecteur acoustique plan en Altuglas. Les gouttes introduites sont déplacées et mises en contact, le mélange qui en résulte est évacué par la buse de sortie. Les gouttes peuvent être introduites soit manuellement avec une micropipette, soit automatiquement. Crédit PNAS.

Certains corps, dits piézoélectriques, possèdent la propriété de se charger électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et, réciproquement, de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Ceci est mis à profit pour nombre d’appareillages, allant des émetteurs et récepteurs de son et d’ultrasons à des systèmes de micro-déplacements. Le titanate de baryum, TiBaO3, est un des matériaux piézoélectriques les plus utilisés sous forme de couche mince ou de céramique. La figure ci-dessous détaille la construction des émetteurs utilisés par les chercheurs d’ETH.

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Le déplacement contrôlé d’objet par lévitation acoustique

La lévitation acoustique de gouttes ou de petites particules a été prévue dès 1902 par le physicien britannique Lord Rayleigh qui a montré qu’à toute onde acoustique était associée une pression, la pression acoustique.

 

La lévitation acoustique s’obtient en créant une onde acoustique stationnaire entre un émetteur et un réflecteur de son.. Sous l’effet d’une pression acoustique dirigée vers le haut et de la gravité, force dirigée vers le bas, on peut obtenir une suspension entre émetteur et réflecteur en des endroits appelés nœuds ou minima de potentiel. En un tel point, la résultante des forces acoustique et de gravité s’annule, mais encore, en son voisinage, elle tend à ramener tout corps en ce point.

Les chercheurs de l’ETH ont fait avancer considérablement l’art de la manipulation sans contact dans l’air. En réussissant à moduler le champ de pression acoustique spatialement et temporellement, ils ont obtenu un déplacement contrôlé des particules piégées par lévitation. Celle-ci présente l’avantage d’être sans contact  et d’être indépendante du matériau mais, jusqu’à maintenant, cette technique n’avait pas abouti à un système de transport  contrôlable et utilisable.

En utilisant un émetteur composé de plusieurs transducteurs piézoélectriques judicieusement disposés qui forment un pavage discret et un réflecteur plan en Altuglas transparent, on arrive à déplacer sans à coup les nœuds où sont piégées les particules d’un transducteur, ou groupe de transducteurs vers son voisin. On déplace ainsi les particules ou gouttes en lévitation. La figure 2 ci-dessous illustre ce mécanisme de base. La  fréquence utilisée est de  24,3 kHz, correspondant au domaine des ultrasons, inaudibles à l’oreille humaine. Les gouttes ont un volume allant de 0,1 à 10 microlitres.

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Fig.2. Rapprochement contrôlé de deux gouttelettes dans l’air. Les nœuds où sont piégées les gouttes correspondent aux minima du potentiel de lévitation qui est représenté avec sa variation au cours du temps T. Par souci de clarté, on n’a représenté que les surfaces émettrices des transducteurs piézoélectriques.
On a figuré en brun sous chaque transducteur piézoélectrique les tensions qui lui sont appliquées aux au cours du temps. Crédit PNAS.

 

Ce système présente l’avantage de pouvoir déplacer sans contact des objets de taille indépendante de la longueur d’onde des ultrasons utilisés. Les figures 3 et 4 en présentent un exemple frappant.

 

Fig. 3 Transport sans contact d’un objet macroscopique allongé (un cure-dent de 8 cm de long, environ 6 fois la longueur d’onde dans l’air de l’ultrason utilisé). La distance H entre émetteurs et réflecteur est égale à la longueur d’onde, 14,2 mm. La rotation contrôlée est vue de dessus (A) et de côté (B). Crédit PNAS.

Fig. 3 Transport sans contact d’un objet macroscopique allongé (un cure-dent de 8 cm de long, environ 6 fois la longueur d’onde dans l’air des ultrasons utilisés). La distance H entre émetteurs et réflecteur est égale à la longueur d’onde, 14,2 mm. La rotation contrôlée est vue de dessus (A) et de côté (B). Crédit PNAS.

Le même dispositif permet d’obtenir une translation, figure 4, ci-dessous.

Fig. 4. Translation contrôlée de l’objet précédent. Crédit PNAS.

Fig. 4. Translation contrôlée de l’objet précédent. Crédit PNAS.

 

La vidéo suivante correspond au mouvement de la figure 3 :

 Crédit PNAS

Une application à la transfection

Le caractère inhérent à cette technique de manipulation  sans contact la rend indépendante des substrats. Ceci est d’un grand intérêt pour nombre de processus biochimiques et biomédicaux. En particulier, les chercheurs ont réalisé par cette méthode une expérience de transfection.

On appelle transfection un processus de transfert de gènes extérieurs dans des cellules eucaryotes (c’est-à-dire à noyau) sans utilisation de virus.

Pour cela, ils ont mélangé par manipulation sans contact deux gouttes contenant l’une une solution du gène étranger dans du sérum physiologique, l’autre une solution de cellules à transfecter. Le mélange est resté en suspension par lévitation quelque minutes avant d’être transféré sur une plaque d’incubation. Le résultat fut du même ordre que par la méthode classique tout en exigeant deux fois moins de produits de départ et en diminuant les risques de contamination du mélange.

Cette technique ouvre la voie à de tout nouveaux processus allant de la biologie sans substrat et des réactions chimiques à l’obtention de  nouveaux composés en l’absence de tout récipient. En transportant et mélangeant des gouttelettes et des particules, on peut maintenant manipuler la matière dans l’air en compensant l’effet de la gravité sans avoir recours aux onéreuses techniques de microgravité en satellites ou en avion. La méthode de manipulation sans contact peut s’appliquer aussi à des produits chimiques dangereux ou à des corps radioactifs.

 

Pour en savoir plus :  

Acoustophoretic contactless transport and handling of matter in air
Daniele Foresti, Majid Nabavi, Mirko Klingauf, Aldo Ferrari, and Dimos Poulikakos
Proceedings of the National Academy of Science, 30 juillet 2013, Vol.110, 31 , p.12549-12554