Denis Meyer

Microparticules et vent acoustique (suite)

26 septembre 2016, 07:00
Micro-vortex de vent acoustique. Le vent acoustique (acoustic streaming) créé par la membrane vibrante produit dans le liquide un écoulement qui entraine les microbilles vers les ventres de vibration​.
Micro-vortex de vent acoustique. Le vent acoustique (acoustic streaming) créé par la membrane vibrante produit dans le liquide un écoulement qui entraine les microbilles vers les ventres de vibration​.

L'article Va où ta musique te conduit sur le déplacement d'objets à l'aide d'ondes sonores se terminait sur l'évocation de manipulations possibles dans le milieu liquide. C'est l'approche d'une équipe de chercheurs conduite par le CEA Leti avec leurs collègues de l’Université Grenoble Alpes qui a obtenu des résultats spectaculaires.

Le son crée des tourbillons, les tourbillons créent du son

Le son est en effet capable d'exercer des forces à distance ou de provoquer des écoulements dans un fluide. Parmi ces effets non linéaires, c'est-à-dire proportionnels au carré du champ de pression acoustique, on distingue la force de radiation acoustique et le phénomène dit de vent acoustique (= acoustic streaming). C'est ce second effet qui a été utilisé par les chercheurs français pour déplacer des microbilles et les agencer selon des motifs prédéfinis (Figure 1). Ce vent acoustique est la réciproque du phénomène de bruit aéroacoustique créé par les tourbillons dans le sillage turbulent d'un véhicule à grande vitesse.

Ici une membrane circulaire de 1 mm de diamètre et 6 µm d'épaisseur est mise en vibration à l'aide d'une tension alternative appliquée au matériau piézo-électrique déposé en couches minces au fond d'une cavité gravée dans le silicium. En milieu liquide, les chercheurs observent que des micro-billes (d'une dizaine de microns) s'agencent dans la cavité selon des motifs réguliers que détermine la fréquence d'excitation de la membrane : les fameuses figures acoustiques de Chladni. Ici le comportement observé et la physique en jeu sont modifiés à la fois par la finesse de la membrane – plus elle est fine, plus les fréquences de résonance augmentent – et par 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 (voir figure 2

Ce nouveau type de manipulation dynamique en milieu liquide, relativement simple, de micro ou nanoparticules, permet de passer d'un mode de vibration à un autre et de créer ou défaire des motifs de façon quasi instantanée. Les chercheurs font aussi état d'un phénomène de rotation des microbilles de puits en puits, qui évoque le pendule de Newton. Les billes semblent alors danser dans la cavité comme le montre de façon spectaculaire cette vidéo qui mérite votre attention.

Il reste à comprendre l’origine de cette rotation collective spontanée au fond d’une cavité millimétrique : elle présente un grand intérêt pour les techniques microfluidiques où le brassage de microparticules reste une opération difficile.

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