Piloter la diffusion de microparticules avec du sel

Comment contrôler et diriger le mouvement de microparticules en solution dans une suspension ? Le moyen le plus direct est d’utiliser une force extérieure : la gravité, qui provoque la sédimentation, ou si l’on souhaite accélérer le processus, la force centrifuge dans les centrifugeuses. Ces méthodes, bien adaptées à la manipulation d’échantillons macroscopiques, sont difficilement miniaturisables, et donc inadaptées aux nouvelles techniques d’ « analyse sur puce ». Une équipe de chercheurs de Lyon vient de montrer qu’il est possible de piloter la migration de particules uniquement par l’intermédiaire de gradients de salinité. En contrôlant le contraste de salinité entre le fluide qui transporte les microparticules et un fluide externe mis au contact de ce dernier, ils ont multiplié d’un facteur cent la vitesse de diffusion des microparticules et la direction de leur mouvement. Ce résultat publié dans la revue Nature Materials ouvre la voie vers un certain nombre d’applications dans les laboratoires sur puce. Il ouvre aussi la question plus large de l’influence de la concentration saline des océans sur les transports à grande échelle de microparticules polluantes ou de micronutriments.

Les physiciens du laboratoire de physique de la matière condensée et nanostructures (LPMCN), en collaboration avec des collègues de l’UMR CNRS Gulliver ont réalisé un dispositif microfluidique leur permettant de mesurer la dispersion de particules dans un fluide externe après injection par un écoulement porteur. En contrôlant le contraste de salinité entre le fluide porteur et le fluide externe, ils ont démontré qu’il était possible de contrôler la vitesse et le sens de migration des particules. Parallèlement, ils ont développé une description théorique qui leur a permis d’aboutir à une description quantitative de ce phénomène qui assure la conversion d’une énergie chimique propre et non polluante (du sel) en énergie mécanique. Ce travail permet d’envisager de nouvelles fonctionnalités dans les laboratoires sur puce, telles que la filtration ou la concentration de particules en suspension, ou encore, en conjonction avec des techniques de nano-ingénierie des surfaces, vers la réalisation de micropompes extrêmement efficaces dont la source d’énergie, d’origine chimique (du sel) est interne au système. La compréhension quantitative de ce mécanisme, favorisant la diffusion de microparticules, devrait aussi permettre d’étudier sous un nouveau jour le transport des micro-particules dans les zones d’estuaires, ou encore sur la dynamique de sédimentation des débris microscopiques, d’origine organique et inorganique, vers les fonds océaniques (neige marine), qui constituent une question largement ouverte.

Dispersion ou concentration de particules en présence d’un gradient de salinité

De gauche à droite : une solution de microparticules fluorescente s’écoule dans un canal ; (a) le fluide externe et le fluide porteur des microparticules ont la même salinité ; (b) du sel est ajouté au fluide externe ; (c ) du sel est ajouté au fluide porteur des microparticules. © LMPCN-UMR 5586