Autopropulsion de nanocylindres et éjection optique de particules en lévitation acoustique

par Gabriel Dumy

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-luc Aider et de Mauricio Hoyos.

Thèses en préparation à l'Université Paris Cité , dans le cadre de ED 474 Frontières de l'Innovation en Recherche et Education .


  • Résumé

    Les techniques de manipulation acoustiques se sont diversifiées avec l'usage croissant de pinces acoustiques comme techniques de manipulation ou de tri d'objets microscopiques, permettant l'analyse ou la séparation rapide et sans contact ni marquage de particules biologiques et inorganiques. Cependant, si le phénomène est expérimentalement et théoriquement bien compris pour des objets sphériques, il a été montré que des micro-cylindres métalliques pouvaient se propulser efficacement dans l'eau sous l'influence d'une onde stationnaire ultrasonore dans une cavité résonnante, ce qui n'est pas prévu par la théorie. Nous explorons dans cette thèse les origines possibles de cette propulsion, ainsi que sa dépendance aux propriétés du champ acoustique. En plus d'expériences en laboratoire, nous nous appuyons sur des expériences réalisées en microgravité afin de démontrer le rôle important joué par la position du plan de lévitation acoustique. De plus, nous avons observé durant ce travail expérimental qu'un effet inattendu pouvait apparaître lorsque les objets piégés par acoustique sont illuminés avec une longueur d'onde optique spécifique. Dans ces conditions particulières, une inversion du confinement acoustique latéral se produit, ce qui sort également du cadre théorique canoniquement établi de l'acoustophorèse. Nous avons démontré que cet effet dépend fortement des caractéristiques des ondes acoustiques et optiques affectant les particules en lévitation. A l'aide d'expériences modèles et de simulations numériques, nous avons pu proposer une origine possible à cette observation basée sur un mécanisme thermoacoustique. Ce phénomène a également un fort potentiel pour la séparation sélective d'espèces en fonction de leurs propriétés optiques, acoustiques et mécaniques.

  • Titre traduit

    Nanorods self-propulsion and optic ejection of particles in acoustic levitation


  • Résumé

    Acoustic manipulation techniques have been broadened with the growing use of acoustic tweezers as a way to selectively manipulate or sort microscopic objects, enabling for fast analysis or separation of biological and inorganic particles. However, if the phenomenon is well experimentally and theoretically understood for spherical objects, it has been shown that metallic micro-cylinders could propel efficiently in water under the influence of a standing ultrasonic acoustic wave in a resonant cavity. We explored in this thesis the potential origins of this propulsion, as well as its dependence on the acoustic properties of the field. In addition to bench experiments, we are relying on microgravity essays, in order to demonstrate the important role played by the levitation plane position. Moreover, we have shown during this experimental work that one unexpected effect could occur when the acoustically captured objects are illuminated with an specific optic wavelength. In these precise conditions, a reversal of the lateral acoustic confinement takes place, which is also out of the classic acoustophoresis theoretic background. We established that this effect is a strong coupling between the properties of the optical and acoustical waves acting on the particles in levitation. Using model experiments and numerical simulations we could propose a possible origin to this observation based on a thermoacoustic mechanism. This phenomenon has also a strong potential to selectively separate species according to their optic, acoustic and mechanic properties.