Micro-mélange et manipulation de bio-particules dans une goutte par ultrasons haute fréquence
Le projet MICRODROPMIXER initié par Etienne Hertz (PI, C2N, Université Paris Saclay), a pour but la conception d’un dispositif de mélange et de manipulation par ultrasons de gouttelettes de fluides, potentiellement des suspensions de micro-organismes ou autres entités biologiques.
Le transducteur est un dispositif HBAR (High-tone Bulk Acoustic Resonator) conçu au C2N, permettant la génération d’ultrasons à des fréquences entre 100 MHz et 1.2 GHz. A ces fréquences, le phénomène d’acoustic streaming domine même dans l’eau, en raison de la forte atténuation. Les dispositifs équivalents de mélange dans des gouttes ou micro-canaux, utilisent des transducteurs SAWs (ondes acoustiques de surface) [1-3], qui nécessitent des étapes complexes de métalisation/photolithographie, et ne dépassent en général pas 100 MHz en raison des limites en résolution spatiale. Le dispositif HBAR permet de dépasser cette limite, et ainsi de générer dans le liquide des ultrasons de longueur d’onde en dessous de 10 microns, comparable à la taille des micro-organismes ou cellules biologiques. Le dispositif sur lequel le brevet a été déposé [4], est reproduit sur la figure ci-contre.
L’étude fondamentale des écoulements induits par l’onde produite par le dispositif HBAR dans la goutte, a consisté en une mesure du champ de vitesse par une technique de Particle Image Velocimetry (PIV). Il s’agit d’ensemencer le liquide avec des particules réfléchissantes, possiblement fluorescentes, et d’acquérir en vue de dessus ou de coté avec une caméra munie d’un fort zoom (la figure ci-contre donne un exemple de trajectoires dans une goutte d’eau).
A partir d’une séquence d’images, on obtient ainsi une série de champs de vitesse dans un plan perpendiculaire à l’axe de la caméra. Dans la plupart des situations étudiées, l’écoulement est stationnaire et composé d’un ou deux tourbillons, ce qui permet en moyennant plusieurs champs consécutifs d’améliorer le rapport signal sur bruit.
Les expériences prévoient d’étudier l’influence de la puissance acoustique, de la viscosité du liquide (par des mélanges eau/glycérol), et la fréquence acoustique, sur la structure de l’écoulement. Des expériences sur les suspensions de bio-particules sont aussi prévues.
REFERENCES
[1] K. Sritharan et al. Acoustic mixing at low Reynold’s numbers. Appl. Phys. Lett. 88, 054102 (2006).
[2] D. Weitz et al. Acoustic waves in Microfluidics. United States Patent US 9,695,390 B2 (2017).
[3] R. Wilson, J. M. Cooper and J. Reboud. Fluidics apparatus for surface acoustic wave manipulation of fluid samples, use of fluidics apparatus and process for the manufacture of fluidics apparatus. European patent EP 2 678 107 B1 (2020).
[4] E. Herth, T. Baron, P. Brunet. Method for generating a flow in a microdrop and device for implementing the method. (2023). Version française
