Conclusion générale

Cette thèse proposait de réaliser des micro/nano-pinces magnétiques articulées dont l’actionnement est obtenu à distance par l’application d’un champ magnétique. La finalité de ces pinces est de saisir et exercer des forces sur des objets biologiques dans le cadre d’applications biotechnologiques et médicales. Ce projet novateur, qui a été initié par cette thèse, a nécessité un travail exploratoire important et très en amont d’éventuelles applications.

Les objectifs principaux de la thèse étaient de:

- modéliser le comportement magnéto-mécanique des micro/nano-pinces magnétiques pour prédire leur réaction à l’application d’un champ magnétique uniforme en fonction de divers paramètres physiques (composition et dimensions des mâchoires, dimensions de la charnière, orientation et intensité du champ externe),

- développer un procédé de fabrication inspiré des techniques de la microélectronique pour aboutir à la réalisation d’un prototype de pince fonctionnel, composé de deux microparticules magnétiques reliées par l’un de leur côté par une charnière en or flexible,

- démontrer l’actionnement à distance de ce prototype par l’application d’un champ magnétique.

Dans un premier temps, une analyse globale du système magnéto-mécanique que constituent les pinces a été effectuée (chapitre 2). La description du comportement micromagnétique des mâchoires ferromagnétiques douces, ainsi que l’évaluation des couples magnétiques et élastiques impliqués dans l’ouverture d’une pince, ont orienté le choix des matériaux et déterminé les dimensions des pinces.

Dans un second temps, le modèle analytique visant à prédire plus précisément le comportement des pinces a été élaboré (3.1.1). Il permet de calculer la position de la mâchoire mobile pour laquelle les couples magnéto-mécaniques qui s’exercent sur elle s’équilibrent.

Trois types de pinces avec une mâchoire supérieure mobile dotées des propriétés magnétiques du Permalloy (ferromagnétique douce), et une mâchoire inférieure fixe dont les propriétés magnétiques sont modifiées d’un cas à l’autre (ferromagnétique douce, aimant permanent, non-magnétique) ont été étudiés. Les hypothèses ont été faites que le

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matériau doux a une réponse linéaire au champ appliqué jusqu’à saturation (0.1 T) et que l’aimantation des mâchoires magnétiques (douces et dures) est confinée dans le plan.

La comparaison des résultats obtenus pour les trois types de pinces (3.1.2), soumises à un champ magnétique (de 0 à 0.2 T) appliqué sous différentes orientations, révèle la spécificité de chaque type de pince et indique notamment que l’interaction magnétostatique est faible par rapport à l’effet du champ externe. Commander l’ouverture d’une pince libérée en solution par l’application d’un champ magnétique nécessitera donc quelques ajustements. De manière générale, l’application d’un champ uniforme d’au moins 0.085 T à 45° par rapport au plan des pinces donne des ouvertures d’environ 30°, ce qui constitue un résultat tout à fait encourageant.

L’idée originale de ces pinces a ensuite pu être concrétisée par l’élaboration d’un procédé de fabrication, inspiré des techniques de la microélectronique et mis en œuvre dans la salle blanche de la Plateforme Technologique Amont (PTA) (4.1). Ce procédé permet de fabriquer des réseaux de pinces fonctionnelles de manière reproductible. Il peut être résumé en 4 étapes : i) micro-structuration de la surface en silicium par lithographie optique et gravure ionique réactive ; ii) dépôt par évaporation électronique des couches métalliques qui constituent les pinces (mâchoires séparées d’une couche sacrificielle en aluminium) ; iii) évaporation sous incidence oblique de la charnière en or sur un des flancs des pinces et gravure ionique des autres flancs ; iv) élimination de la couche sacrificielle par gravure chimique et séchage.

Des pinces de composition variées ont ainsi été produites, notamment des pinces faites de deux mâchoires magnétiques douces (Permalloy) et des pinces composées d’une seule mâchoire douce, l’autre étant non-magnétique (chrome). Les dimensions typiques pour les mâchoires sont de 2 µm de côté et 200 nm d’épaisseur et la charnière mesure 350 nm de haut et de 20 nm d’épaisseur.

Finalement, l’actuation magnétique de ces pinces a été démontrée avec succès à l’aide d’une expérience originale et développée spécialement dans ce but. Cette dernière a été installée dans un microscope électronique à balayage (MEB) pour permettre l’observation directe des pinces dont les dimensions ne permettent pas une observation quantitative par imagerie optique. Le montage expérimental consistait à générer un champ magnétique très localisé à l’aide d’une microsphère magnétique à proximité d’une pince, pour limiter la perturbation de l’image électronique.

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Le comportement des pinces à l’approche de la microsphère magnétique a été analysé grâce aux images acquises lors des expériences (5.3). L’interprétation de ces résultats, effectuée à l’aide du modèle analytique élaboré précédemment et adapté pour correspondre à ces cas expérimentaux, a permis de quantifier les propriétés mécaniques de nano-charnières en or de 20 nm d’épaisseur.

Pour conclure, à travers ce travail de thèse, nous sommes parvenus à valider le concept initial des micro/nano-pinces magnétiques en démontrant leur actuation à distance par l’action d’un champ magnétique, ainsi que la flexibilité et robustesse de la nano- charnière en or. Le bon accord entre ces résultats expérimentaux et nos prédictions théoriques confirme les hypothèses sur les propriétés physiques des pinces utilisées dans le modèle analytique (micromagnétisme des mâchoires douces adoptant une configuration magnétique vortex, flexibilité du film d’or). Par ailleurs, ces prédictions théoriques sont elles-mêmes en très bon accord avec des calculs numériques par éléments finis réalisés avec Flux3D et COMSOL Multiphysics.