Des pinces acoustiques 3D

Depuis déjà deux décades, des physiciens, des chimistes et des biologistes utilisent des pinces optiques (cf  le blog des sciences 12 nov 2013) pour piéger dans un faisceau laser et manipuler sous un microscope des objets de taille allant de quelques nanomètres à des centaines de micromètres, atomes, molécules, bactéries, virus, ADN, etc…

Il existe aussi des pinces acoustiques qui utilisent des ondes ultrasonores. Elles permettent de manipuler sans contact des objets allant du micromètre au centimètre avec quelques avantages sur les pinces optiques. Celles-ci ont connu un immense progrès avec la mise au point des pinces optiques holographiques qui permettent la manipulation indépendante de plusieurs particules qu’on peut grouper en microstructures à 3 dimensions. Vingt ans après, deux chercheurs, l’un de l’université de Bristol, au Royaume-Uni et l’autre de l’Universidad Publica de Navarra,  Pamplona, en Espagne, ont imaginé et réalisé des pinces acoustiques holographiques aux caractéristiques innovantes.

 

Les avantages des  pinces acoustiques holographiques

Les pinces acoustiques utilisent les forces exercées par les ultrasons pour piéger des particules de taille allant de 1 µm à 1 cm dans des milieux variés comme l’air, l’eau ou des tissus biologiques. Ces forces sont cinq fois plus grandes que celles des pièges optiques pour une même puissance injectée. Ceci permet de travailler avec une faible puissance, ce qu’exigent les manipulations cellulaires.

On a réussi récemment à gérer la dynamique de particules piégées acoustiquement à 3 dimensions mais sans contrôle individuel des particules.
Les deux chercheurs ont créé un algorithme  qui, en contrôlant la phase des champs sonores émis par des matrices d’émetteurs à ultrasons,  réalise des pinces acoustiques holographiques assurant ce contrôle individuel.

Un hologramme optique est l’enregistrement sur un support plan des interférences entre la lumière laser réfléchie sur des objets 3D et la lumière source. En éclairant l’hologramme, on peut restituer l’image des objets en 3D.
L’holographie acoustique est un peu différente, on utilise un programme qui envoie sur une matrice de transducteurs des signaux d’amplitudes et de phases soigneusement calculés pour créer dans l’espace une série de nœuds de pression qui constituent autant de pièges pour des particules.
L’ensemble des particules constitue un objet 3 D dont on peut faire bouger à loisir les constituants.

Il est ainsi possible de manipuler dynamiquement plusieurs particules indépendamment. Cela peut conduire à plusieurs applications :

-un affichage nouveau où des particules en lévitation (on les appelle des voxels par analogie avec les pixels) forment des objets 3D.

-la fabrication de structures allant de la taille du µm au cm où l’on pourrait installer des circuits intégrés.

-la faculté qu’ont les ultrasons de traverser les tissus biologiques pourrait être exploitée pour des études in vivo  où les pinces acoustiques holographiques serviraient à tenir, orienter, libérer, rapprocher ou séparer des particules du vivant.

 

La réalisation de pinces acoustiques holographiques

 

Les deux scientifiques ont conçu un algorithme qui commande deux matrices de 256 émetteurs d’ultrasons de diamètre 1 cm  espacés de 1 cm. Ces transducteurs (Fig.1.) ont une puissance d’émission maximum à 40 kHz, ce qui conduit à  une longueur d’onde dans l’air  de λ  = 0,8 cm.

Fig.1.Géométrie des matrices de transducteurs pour holographie acoustique Ces matrices (en bleu) sont constituées de 16 x 16 éléments transducteurs de diamètre 1 cm (1,2λ) arrangés selon une grille de pas 1 cm. a)Une matrice parallèle à une surface (en violet) réfléchissant le son située à 13 cm (15,1 λ). b) Deux matrices parallèles séparées par 23 cm (26,7 λ). Tiré de Holographic acoustic tweezers Asier Marzo, and Bruce W. Drinkwater PNAS | January 2, 2019 | vol. 116 | no. 1 Sup.Inf. C.C.BY-NC-ND.

Fig.1.Géométrie des matrices de transducteurs pour holographie acoustique
Ces matrices (en bleu) sont constituées de 16 x 16 éléments transducteurs de diamètre 1 cm (1,2λ) arrangés selon une grille de pas 1 cm.
a) Une matrice parallèle à une surface (en violet) réfléchissant le son située à 13 cm (15,1 λ).
b) Deux matrices parallèles séparées par 23 cm (26,7 λ).
Tiré de Holographic acoustic tweezers Asier Marzo, and Bruce W. Drinkwater
PNAS | January 2, 2019 | vol. 116 | no. 1 Sup.Inf. C.C.BY-NC-ND.

Avec le dispositif de la Fig.1.a, on peut manipuler  de nombreuses particules dans un plan (2D). Si un faisceau ultrasonore est focalisé sur une particule située sur le plan, une onde stationnaire locale est créée avec son premier nœud (pression acoustique nulle) à λ/4 au-dessus de la surface. En ce nœud, les particules sont piégées de façon stable. La Fig.2 illustre cela.

Fig.2. Manipulation simultanée de 10 particules de PSE de 2mm de diamètre Les particules sont piégées à 2,3 mm (λ/4)au-dessus d’une surfaceréfléchissant le son. A) Les particules se groupent en cercle (vue en perspective). B)des particules se déplacent vers le centre. C) Deux cercles concentriques de particules tournent en directions opposées. D), E), F) Simulation de l’amplitude de la pression résultante sur la surface réfléchissant le son. La matrice plane de 256 transducteurs estparallèle à cette surface et distante de 13 cm (Fig.1.b). Tiré de Holographic acoustic tweezers Asier Marzo, and Bruce W. Drinkwater PNAS | January 2, 2019 | vol. 116 | no. 1 Sup.Inf. C.C.BY-NC-ND.

Fig.2. Manipulation simultanée de 10 particules  de 2mm de diamètre
Les particules sont piégées à 2,3 mm (λ/4)au-dessus d’une surface réfléchissant le son.
A) Les particules se groupent en cercle (vue en perspective).
B) Des particules se déplacent vers le centre.
C) Deux cercles concentriques de particules tournent en directions opposées.
D), E), F) Simulation de l’amplitude de la pression résultante sur la surface réfléchissant le son. La matrice plane de 256 transducteurs est parallèle à cette surface et distante de 13 cm (Fig.1.b). La barre d’échelle en B et D vaut 2 cm.
Tiré de Holographic acoustic tweezers Asier Marzo, and Bruce W. Drinkwater
PNAS | January 2, 2019 | vol. 116 | no. 1 Sup.Inf. C.C.BY-NC-ND.

On peut observer ces 10 billes de polystyrène expansé (PSE) en mouvement plan sur la vidéo suivante :

Manipulation en 2D de 10 particules
Tiré de Holographic acoustic tweezers  Asier Marzo, and Bruce W. Drinkwater
PNAS | January 2, 2019 | vol. 116 | no. 1 Sup.Inf. C.C.BY-NC-ND.

Avec le montage de la Fig.1. b (deux plaques de 256 transducteurs parallèles éloignées de 23 cm), on peut manipuler les particules du même type  à 3 dimensions : on l’observe sur la vidéo ci-après où 12 billes de PSE sont déplacées de façon à se trouver sur les sommets d’un icosaèdre:

Manipulation de 12 billes de PSE en 3D
Tiré de Holographic acoustic tweezers  Asier Marzo, and Bruce W. Drinkwater
PNAS | January 2, 2019 | vol. 116 | no. 1 Sup.Inf. C.C.BY-NC-ND.

 

En doublant le nombre de transducteurs, les chercheurs sont arrivés à manipuler en 3D 25 particules. la vidéo suivante en fait foi :

Manipulation de 25 billes de PSE en 3D
Tiré de Holographic acoustic tweezers  Asier Marzo, and Bruce W. Drinkwater
PNAS | January 2, 2019 | vol. 116 | no. 1 Sup.Inf. C.C.BY-NC-ND.

Les démonstrations précédentes ont été effectuées ans l’air (λ= 1,2 cm) mais le système peut être miniaturisé en augmentant la fréquence et on peut l’appliquer à d’autres milieux de propagation. En opérant à 7,5 MHz  dans des solutions aqueuses on aurait une longueur d’onde de 200 µm, ce qui permettrait le piégeage de cellules de 20 µm. En effet les pinces acoustiques peuvent piéger des particules de taille inférieure à λ/10. Les expériences ci-dessus ont utilisé 2 matrices de 256 transducteurs de 1 cm de diamètre d’un modèle courant. Dans le futur, l’utilisation d’éléments plus nombreux et plus petits ainsi que des pressions acoustiques plus élevées peut conduire à des progrès substantiels. Des matrices à nombre d’éléments double sont déjà disponible dans le domaine médical. Des systèmes de taille agrandie piègeront plus de particules, permettant la création d’images 3D constituées de voxels en lévitation, d’une qualité supérieure à ce qui existe aujourd’hui.

En résumé, les pinces acoustiques holographiques permettent le contrôle individuel de nombreuses particules avec les avantages des forces acoustiques : particules du micromètre aux centimètres, possibilité de pénétrer des milieux opaques et tout ceci avec des forces importantes consommant peu d’énergie.

 

 

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

Holographic acoustic tweezers Asier Marzo, and Bruce W. Drinkwater PNAS | January 2, 2019 | vol. 116 | no. 1