Actionnement par inclinaison de la structure

4.3.3.1 Principe

L’actionnement par inclinaison consiste à incliner la structure d’aimants afin

de modifier la position d’équilibre des particules en lévitation. Comme il a déjà été

expliqué, la force de répulsion diamagnétique et le poids de la particule ne sont

plus colinéaires lorsque la structure d’aimant est inclinée. Une force apparaît selon

l’axe horizontal et la particule se déplace. Cette force est proportionnelle au poids

de la particule ainsi qu’à l’angle d’inclinaison. C’est par ce biais que l’inclinomètre

et le capteur de force ont été calibrés. Ce qui montre qu’il est possible de manipuler

une ou plusieurs particules simultanément.

Toutefois, cette solution déplace toutes les particules en lévitation. Or les

parti-cules se repoussent. Il serait donc intéressant de pouvoir les manipuler

individuel-lement, sans influencer la position de celles qui les entourent.

4.3.3.2 Déplacement d’une particule unique

La manipulation d’une particule unique nécessite deux points de stabilité

sépa-rés par une faible barrière de potentiel. Ainsi, une inclinaison de quelques dixièmes

de degrés suffit à fournir l’énergie nécessaire à une particule pour passer d’un puits

à un autre. Les particules se repoussant, les particules les plus proches de la barrière

ont besoin de peu d’énergie et donc d’une inclinaison plus faible pour la franchir.

A l’inverse, les particules qui en sont plus éloignées, ont besoin d’une inclinaison

plus importante. Ainsi, en jouant sur l’inclinaison, il est possible de contrôler le

nombre de particules franchissant la barrière de potentiel.

Voyons cela à travers l’exemple présenté figure 4.24. Trois particules sont en

lévitation au-dessus d’un canal. Un défaut magnétique crée une barrière de

poten-tiel. Deux points de lévitation stables apparaissent : les puits I et II. La particule

(2) passe du puits de potentiel I au puits II. Dans son puits de départ, la particule

est repoussée par la particule (3) (non visible sur la figure 4.24(a)). L’énergie qui

lui est nécessaire pour quitter ce puits est donc moindre que pour la particule de

droite. Dit autrement, l’angle requis pour faire passer la particule (2) d’un puits à

un autre est moindre que pour la particule (3).

Les aimants sont inclinés de sorte à créer une force dans l’axe du canal. Cette

force augmente avec l’inclinaison. Ainsi, lorsque l’inclinaison atteint un angle

166 CHAPITRE 4. POSSIBILITÉS ET APPLICATIONS POTENTIELLES

(a) t = 0s (b) t = 0.33s

(c) t = 0.66s (d) t = 1.0s

Fig. 4.24 – Lorsque la structure d’aimant est inclinée de l’angle adéquat, une

particule et une seule passe d’un puits de potentiel à l’autre. La position des trois

particules est montrée à différents instants.

donné, cette force est suffisante pour permettre à une particule de franchir la

barrière de potentiel.

Sur la figure 4.24(a), nous observons que pour un angle de 1,12

◦

, la particule (2)

s’approche de la barrière de potentiel. Poussée par la particule (3), elle se déplace

(Fig : 4.24(b)), tombe dans le puits I (Fig : 4.24(c)) et, freinée par la particule (1),

elle s’arrête (Fig : 4.24(d)).

La particule (3) ne bénéficiant pas de la poussée d’une quatrième particule n’a

pas assez d’énergie pour franchir la barrière. Elle reste donc dans le puits II.

Il est à noter que la particule (3) est repoussée par la particule (2) et donc

visible à la limite de l’image à t=0s. Le départ de la particule (2) lui permet de se

déplacer au centre du puits. Inversement, la particule de (1), qui est poussée par la

nouvelle arrivante, change de position d’équilibre. Cette nouvelle position est telle

que le barycentre des deux particules est situé au centre du puits, position initiale

de la particule (1).

L’opération inverse, faire passer la particule (2) du puits I au puits II, est

également possible. L’angle requis est alors de -0,28

◦

.

Un cycle de changement de position de la particule centrale a été observé sur

la plage angulaire [-0,28 1,12]

◦

. Un phénomène d’hystérésis apparaît clairement

4.3. MOYENS D’ACTIONNEMENT 167

en fonction de l’inclinaison passée de la structure, une ou deux particules sont

présentes dans le puit I. Un cycle de ce type se retrouve pour toutes les particules

(Fig : 4.25).

Fig. 4.25 – Nombre de particules dans le puits de gauche en fonction de l’angle.

(en vert les transitions pour lesquelles l’angle a été mesuré, en rouge les transitions

ayant seulement été observées)

4.3.3.3 Perspectives

Deux éléments sont fondamentaux dans la manipulation individuelle de

parti-cules par inclinaison :

– la force de répulsion entre les particules,

– l’existence d’au moins deux points de stabilité séparés par une barrière de

potentiel.

Le premier élément dépend des particules utilisées. Cette force de répulsion a été

observée pour des particules solides dans l’air, mais également dans un liquide (Fig :

4.26(a)). Enfin, elle a aussi été constatée pour des gouttelettes d’eau en lévitation

dans l’air (Fig : 4.26(b)). Il est donc envisageable d’étendre cette application à la

micro fluidique ou bien aux particules et cellules en suspension dans un liquide.

(a) (b)

Fig. 4.26 – Une force de répulsion maintient séparés a) les particules de cuivre

dans un liquide, b) des gouttelettes d’eau dans l’air [33]

Le second élément, la barrière de potentiel, a été créé magnétiquement, à partir

d’un défaut des aimants. Toutefois, il est envisageable de la générer par un autre

168 CHAPITRE 4. POSSIBILITÉS ET APPLICATIONS POTENTIELLES

biais :

– Une conception spécifique des aimants, prévoyant un resserrement du canal.

– L’utilisation d’électrodes pour repousser (création d’un barrière) ou attirer

(création d’un puits) les particules chargées. L’avantage étant alors que cette

barrière est variable et commandable.

– L’utilisation d’un courant traversant perpendiculairement le canal,

repous-sant les particules par magnétophorèse, avec le même avantage que

précé-demment en termes de variations et de commande.

Par les barrières de potentiels commandées, on peut imaginer commander le

déplacement de particules une à une, de les orienter, de créer des carrefours et

bifurcations permettant de les trier.

Ceci ouvre donc la porte à la manipulation individuelle de particules ou de

gouttelettes de quelques micromètres et donc la mise à disposition, pour les

micro-usines chimiques de quantités très faibles et contrôlées de matière. D’importantes

applications dans la microfluidique digitale sont également envisageables ainsi que

pour le convoyage de microparticules.

4.3.3.4 Conclusion sur l’actionnement par inclinaison de la structure

Comme nous l’avons vu pour la calibration de l’inclinomètre ou du capteur

de force, incliner une structure d’aimants permet de déplacer simultanément une

ou plusieurs particules. Toutefois, sous certaines conditions, il a été démontré que

lorsque plusieurs particules lévitent diamagnétiquement dans un même canal, il

est possible d’en déplacer une et une seule. Plusieurs conditions nécessaires ont été

identifiées :

– les particules ont une interaction répulsive,

– deux ou plusieurs puits de potentiel sont présents le long du canal.

Lorsque ces conditions sont réunies, l’énergie nécessaire à chaque particule pour

passer d’un puits de potentiel à l’autre est différente. Cette énergie est apportée

par inclinaison de la structure aimantée. Ainsi, à certains angles bien définis, une

particule unique quitte un puits pour entrer dans un autre.

La démonstration a été réalisée expérimentalement pour des particules en

bis-muth en lévitation dans l’air. Cependant, ces conditions sont également remplies

pour des gouttelettes de liquide en lévitation dans l’air ou pour des particules

so-lides confinées dans un fluide. Cet actionnement devrait donc pouvoir être étendu

à d’autres systèmes en lévitation.

Dans le document La lévitation Diamagnétique à l'Echelle Micrométrique: Applications et Possibilités (Page 174-177)