Des nanobâtonnets comme sondes ultimes de l’écoulement des fluides
Une nouvelle méthode, basée sur la mesure de la luminescence polarisée de nanobâtonnets, a été mise au point pour la mesure de l’écoulement dans les microcanaux. Ce travail, réalisé dans le cadre d’une collaboration franco-néerlandaise entre le Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et le Laboratoire d’Hydrodynamique de l’Ecole polytechnique, d’une part, et l’Institut Van’t Hoff de l’Université d’Amsterdam, d’autre part, est publié dans l’édition de Nature Nanotechnology du mois de juin.
L’étude de l’écoulement de fluides dans les microcanaux est pertinente dans de nombreux domaines. A titre d’exemple, la détermination de la circulation sanguine dans les artères est cruciale pour comprendre les échanges avec les parois ou l’accumulation de matières responsables de l’athérosclérose. Les simulations d’hydrodynamique sont de plus en plus performantes mais leur validation nécessite des études expérimentales qui se heurtent à la difficulté de caractériser l’écoulement à très petite échelle, typiquement quelques centaines de nanomètres.
L’approche proposée par l’équipe de recherche franco-néerlandaise est basée sur l’utilisation de nanobâtonnets monocristallins de phosphate de lanthane (LaPO4), dopés avec des ions d’europium (Eu3+) luminescents. Comme des bûches flottant sur une rivière, ces nanobâtonnets, de 10 nm de diamètre et 200 nm de longueur, s’orientent dans le liquide en écoulement, sous l’effet du cisaillement (gradient de vitesse d’écoulement). Leur orientation détermine la polarisation de la luminescence des ions Eu3+. La mesure de la polarisation de la luminescence à l’aide d’un microscope confocal permet ainsi de réaliser la cartographie tomographique de l’orientation des bâtonnets et donc du cisaillement dans un canal microfluidique. Ainsi, il est devenu possible d’analyser, en temps réel et avec une résolution inégalée, le flux d’un fluide dans un canal microfluidique de petite taille.
(a) Image de microscopie électronique à balayage des nanobâtonnets de LaPO4. (b) et (c) Schéma montrant l’alignement des nanobatônnets dans un écoulement sous l’effet des forces de cisaillement. (d) Schéma d’un canal microfluidique étudié. (e) et (f) Cartographie expérimentale et théorique du champ de cisaillement dans le fluide en écoulement.
Ce travail ouvre des perspectives prometteuses pour la compréhension fondamentale des phénomènes liés à l’écoulement d’un fluide dans des canaux complexes. Au-delà, ces sondes d’orientation pourraient également être utilisées en biologie, pour suivre des mécanismes complexes in situ liés à la dynamique d’orientation des bio-macromolécules afin d’expliquer leurs propriétés et leurs modes d’action.
Publication
Monitoring the orientation of rare-earth doped nanorods for flow shear tomography, J. W. Kim, S. Michelin, M. Hilbers, L. Martinelli, E. Chaudan, G. Amselem, E. Fradet, J.-P. Boilot, A. M. Brouwer, C. N. Baroud, J. Peretti, T. Gacoin, Nature Nanotechnology, published online 19 June 2017. DOI : 10.1038/NNANO.2017.111