Paris, 26 MARS 2010

Comment se déplacent des gouttes par ultrasons ?

Comprendre les mécanismes physiques qui permettent de déplacer une goutte en propageant une onde acoustique le long du substrat sur lequel elle repose : c'est le pari réussi des chercheurs de l'Institut d'électronique de microélectronique et nanotechnologies (CNRS/Université Lille 1/Ecole Centrale de Lille). Ils sont parvenus à détailler la structure des ultrasons qui se propagent dans la goutte et entraînent son oscillation puis son déplacement. Ces résultats, publiés dans la revue Physical Review E, pourraient être mis à profit pour optimiser les analyses biochimiques réalisées sur des puces à ADN, qui utilisent des gouttes de liquides biologiques.
Les chercheurs lillois ont étudié la dynamique d'une petite goutte posée sur un substrat, le long duquel se propage une onde acoustique (1), comparable aux premières ondes détectées par les sismographes au cours de secousses sismiques. Quel est l'effet de ce mini tremblement de terre sur la goutte ? Les chercheurs observent (voir le film ci-dessous, réalisé à la caméra rapide à 5000 images par seconde) que la goutte se déplace dans le sens de propagation de l'onde à une vitesse pouvant atteindre quelques centimètres par seconde. De plus, la forme de la goutte est modifiée : la goutte se met à osciller et elle est périodiquement étirée vers le haut et aplatie.
Pourquoi cette dynamique ? Les ondes acoustiques propagées présentent la particularité de se déplacer uniquement à la surface du substrat, sans y pénétrer. Elles ne subissent donc pas de déviation ou de réflexion et sont ainsi peu atténuées. Leur amplitude, de l'ordre du nanomètre, et leur fréquence, autour de 20 MHz (2), produisent des accélérations significatives : le substrat subit des déformations locales de 1 à 2 nanomètres répétées à un intervalle très court, ce qui fait osciller la goutte, la déforme et entraîne son déplacement dans le sens de propagation de l'onde.

Si l'on avait déjà observé ce phénomène, on ne connaissait pas les mécanismes physiques qui en étaient à l'origine. L'équipe de l'Institut d'électronique de microélectronique et nanotechnologies (CNRS/Université Lille 1/Ecole Centrale de Lille). en réunissant des concepteurs de microsystèmes, des acousticiens et des dynamiciens des fluides, ont identifié les mécanismes acousto-fluidiques conduisant à cette dynamique oscillatoire surprenante. Ils ont en effet réalisé une étude quantitative expérimentale ainsi que des simulations numériques qui leur ont donné la structure détaillée de l'onde acoustique à l'intérieur de la goutte.
Ils montrent que l'onde acoustique est en partie rayonnée dans le liquide, et en raison de la viscosité de ce dernier, il se crée un phénomène dit « d'acoustic streaming », comparable au phénomène qui produit un léger courant d'air à proximité d'un haut-parleur puissant. Ainsi, l'onde acoustique peut produire un écoulement constant et directionnel. Un autre phénomène s'additionne au précédent : si l'onde acoustique n'est que partiellement atténuée par la viscosité du liquide, elle parvient à atteindre l'interface entre le liquide et l'air de la goutte. La conservation de la quantité de mouvement à cette interface et la différence d'indices acoustiques entre l'eau et l'air induisent alors une pression de radiation qui déforme l'interface. Cette pression couplée à la dynamique propre de la goutte crée des oscillations.

Les applications de ce phénomène sont multiples. Tout d'abord, déplacer des petites gouttes permet de sécher sélectivement certaines parties d'une surface. Cette propriété pourrait être utile lorsque des gouttes sont confinées dans certaines zones d'une surface difficile d'accès.
Les gouttes sont par ailleurs de plus en plus utilisées pour réaliser des réactions biochimiques sur des puces à ADN. Cette technique permet avec une toute petite quantité de liquide biologique de tester toute une batterie de candidats médicaments par exemple ou de réaliser de nombreuses réactions enzymatiques. L'intérêt est de diminuer fortement le coût des tests. Or, en raison de la petite taille d'une goutte, il est difficile d'y assurer un mélange et les réactions sont très lentes. L'utilisation des ondes acoustiques permet de mélanger continuellement les composants et ainsi d'augmenter la rapidité des réactions. En comprenant comment agissent les ondes acoustiques sur le déplacement des gouttes, les chercheurs pourront optimiser ces réactions.

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Les animats

Contrairement aux ambitions affichées aux origines de la discipline, en 1956, les recherches en intelligence artificielle ont à ce jour largement échoué à reproduire l'intelligence de l'homme, même si un programme d'ordinateur a réussi à battre le champion du monde aux échecs. Quant aux robots modernes, ils ne brillent pas non plus par leur intelligence, même si certaines machines caniformes ou humanoïdes sont de véritables merveilles de technologie. De nombreux chercheurs estiment qu'il est largement prématuré d'espérer reproduire directement l'intelligence de l'homme tant qu'on n'aura pas compris comment elle s'est mise en place au cours de l'évolution. Aussi, dans le but de rechercher en quoi l'intelligence humaine s'explique à partir des processus adaptatifs les plus simples hérités des animaux - et plutôt que de viser directement à comprendre et à reproduire les performances les plus élaborées dont est capable le cerveau - ces chercheurs visent d'abord à synthétiser des animats, c'est-à-dire des animaux artificiels ou des robots réels dont les lois de fonctionnement sont aussi inspirées de la biologie que possible. L'objectif est d'attribuer à ces animats certaines des capacités d'autonomie et d'adaptation basiques qui caractérisent les animaux réels, de façon à leur permettre de "survivre" ou d'assurer leur mission dans des environnements plus ou moins imprévisibles et dangereux. Cette conférence évoquera quelques automates célèbres - du pigeon d'Archytas de Tarente au canard de Vaucanson, en passant par l'androïde de Léonard de Vinci - pour rappeler que la conception de machines inspirées du vivant a été de tout temps une préoccupation humaine. La structure générale d'un animat et son mode de fonctionnement seront ensuite décrits. Ils se caractérisent par le fait que l'animat acquiert des comportements efficaces par interaction étroite avec son environnement, grâce à son architecture de contrôle - équivalent du système nerveux d'un animal - reliant ses capteurs - équivalents des récepteurs sensoriels- à ses actionneurs - équivalents des organes moteurs. Puis divers exemples illustreront la façon dont les animats peuvent eux-mêmes améliorer ou se constituer une architecture de contrôle ou une morphologie adaptées, par des processus inspirés de la biologie comme le développement, l'apprentissage ou l'évolution des espèces. Enfin, à partir notamment de l'évocation des "biobots" - robots hybrides constitués à la fois d'éléments artificiels et d'éléments vivants - les avantages et les risques liés à ces recherches seront discutés.

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Les alliages métalliques pour conditions extrêmes

Les métaux et leurs alliages ont toujours joué un rôle primordial dans le développement de nos sociétés. Ils ont toujours contribué à la résolution de bon nombre de problèmes de société incontournables. Plutôt que de faire un inventaire, on s'efforcera de montrer les diverses étapes à franchir dans le développement d'un alliage métallique destiné à remplir une fonction donnée. On illustrera également les développements des grandes disciplines (Chimie, Physique, Mécanique, Simulation Numérique) qui ont largement contribué à la métallurgie. A cet effet, on rappellera tout d'abord les spécificités physiques des métaux et alliages métalliques. On montrera à ce propos comment il a été possible de profiter de certains traits spécifiques favorables et de surmonter quelques handicaps, comme la densité. Parmi les situations extrêmes envisagées, on se restreindra à celles qui font appel à la résistance mécanique des métaux et des alliages métalliques en traitant successivement le cas des très basses températures (transport de gaz liquéfiés), des très grandes vitesses de déformation (" crash " automobile), des températures élevées (turbines aéronautiques) et celui de l'irradiation aux neutrons (réacteurs électronucléaires). On conclura en envisageant un certain nombre d'applications pour lesquelles le développement de nouveaux alliages métalliques reste un verrou technologique et pose de réels défis scientifiques et techniques.

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Les condensats de Bose-Einstein

Le laser, outil privilégié du chirurgien et du soudeur, est souvent associé à l'idée de chaleur. Depuis une vingtaine d'années, on sait pourtant l'utiliser pour refroidir les atomes d'un gaz à une température extrêmement basse, de l'ordre du microkelvin. A cette température, la vitesse d'agitation thermique des atomes devient très faible, de l'ordre du centimètre par seconde, à comparer aux centaines de mètres par seconde des molécules de l'air qui nous entoure. Selon la relation découverte par Louis de Broglie, la longueur d'onde associée aux particules augmente lors du refroidissement, et peut même atteindre la distance moyenne entre atomes voisins. Les atomes perdent alors leur individualité, s'accumulent dans un même niveau quantique, et le gaz bascule vers un état aux propriétés spectaculaires, état prédit en 1925 par Einstein à partir des travaux de Bose, mais qui n'a pu être observé qu'à partir de 1995. L'exposé présentera les principes physiques à la base de la manipulation et du refroidissement des atomes. Il décrira également quelques expériences mettant en évidence les propriétés de cohérences très spéciales de ces condensats de Bose-Einstein, pour conclure sur les perspectives ouvertes par ces systèmes, aussi bien dans le domaine des mesures de haute précision qu'en physique statistique

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