D´eformations d’interface: aspects mati`ere molle

Mesures de tension de surface

Une ´equipe japonaise a exploit´e la d´eformation de surface induite (Laser Induced Surface Deformation, LISD) pour mesurer des propri´et´es de surface de liquides [169]. En effet, sous certaines conditions qui seront pr´ecis´ees par la suite, la hauteur de la d´eformation est inversement proportionnelle `a la tension de surface σ de l’ interface: plus l’ interface est d´eformable, plus la d´eformation est grande. Comme pour des interfaces classiques les d´eformations restent cependant tr`es petites, Sakai et al. mesurent, tout comme Ashkin, la d´eformation par l’ interm´ediaire de l’ effet de lentille asoci´e. Le montage exp´erimental est pr´esent´e sur la figure (2.17(a)). Les d´eformations sont induites par un faisceau laser Argon Ar+ ( λ = 5145 ˚A , puissance maximale P = 0.5 W) (faisceau pompe) et la focale associ´ee `a la d´eformation est mesur´ee en regardant dans le champ

(a) (b)

Fig. 2.16 – (a) Evolution temporelle de la d´eformation d’une gouttelette d’eau de rayon a = 50µm (milieu environnant:air) apr`es passage d’une impulsion d’´energie 100 mJ et de dur´ee 400 ns issue d’un laser `a colorant. L’impulsion se propage de gauche `a droite comme indiqu´e par la fl`eche. La premi`ere image en haut `a gauche correspond `a l’instant t=0, la derni`ere en bas `a droite `a t = 22 µs apr`es le passage de l’impulsion. (b) D´eformations observ´ees pour une impulsion d’´energie 200 mJ. La premi`ere image correspond `a l’instant t = 1 µs, la derni`ere `a t = 15 µs. On notera la formation d’un filament et l’´ejection de mati`ere en face avant de la goutte. Les images sont issues de la r´ef´erence [161].

32 Chapitre 2

(a) (b)

Fig. 2.17 – (a) Sch´ema du dispositif exp´erimental utilis´e par Sakai et al. [169] pour me-surer indirectement la hauteur des d´eformations d’interface induites par la pression de radiation. Le faisceau issu du laser argon est le faisceau pompe engendrant la d´eforma-tion, le faisceau laser H´elium-N´eon est le faisceau sonde dont on mesure dans le champ lointain la transformation du rayon au col dˆue `a l’effet de lentille associ´e `a la d´eformation. (b) Comparaison des mesures de tension de surface obtenues par d´eformation d’interface (cercles creux) et par la m´ethode classique de Wilhelmy (courbe en traits pleins) pour une monocouche d’acide myristique.

lointain le profil d’un faisceau Helium-N´eon sonde. Le montage est ´etalonn´e en mesurant la d´eformation induite `a l’interface eau-air σ = 73mJ.m−2 par un faisceau de puissance P = 300 mW et de largeur ω0 = 142µm. Dans ces conditions, la hauteur n’ est que de 2 nm (!!) mais peut ˆetre d´etect´ee. L’ isotherme tension de surface - surface par tˆete polaire est ensuite mesur´ee pour une monocouche d’ acide myristique, en accord avec une m´ethode classique. Les mesures peuvent ˆetre ´etendues `a des caract´erisations dynamiques. En modulant le faisceau pompe, la pression de radiation excite des ondes de surface dont on d´etermine spectroscopiquement le spectre de puissance. Des mesures de visco´elasticit´e sont donc possibles par cette m´ethode. Toutefois les mesures effectu´ees ne sont que relatives (´etalonnage initial) et les d´eformations mesur´ees qu’indirectement.

Etude de membranes biologiques

Les limites de la dynamom´etrie optique sont soulign´ees par Wang et al. [170]. La r´e-solution optique de la microscopie conventionnelle ne permet pas d’´etudier les fluctuations nanom´etriques d’ une membrane lipidique dans la phase gel. De mˆeme, l ’interpr´etation des exp´eriences de dynamom´etrie est souvent limit´ee aux v´esicules larges pour pouvoir mod´eliser l’ interface explor´ee par les billes sondes comme plate. La grandeur int´eressante pour la m´ecanique des v´esicules lipidiques est la rigidit´e de courbure κ. Or ce que mesurent par exemple Pouligny et al. [105] est kM la raideur ´elastique de la membrane. Ils remontent `a la rigidit´e par l’ interm´ediaire de la relation lin´eaire kM = C<sub>a</sub><sup>κ</sup>2, o`u a est le rayon de la bille sonde et C une constante empirique d´etermin´ee par des mesures sur des syst`emes macroscopiques. Cette m´ethode est limit´ee aux mesures en phase gel (kM = 0 en phase fluide) et la question reste ouverte quant `a savoir si la valeur de la constante C utilis´ee est

valable pour des v´esicules [105]. Wang et al. utilisent une m´ethode de microscopie confo-cale pour atteindre une sensibilit´e nanom´etrique pour la d´etection de d´eformations. En excitant des v´esicules par pression de radiation, ils mesurent pour la premi`ere fois directe-ment la rigidit´e de courbure κ dans la phase gel et dans la phase fluide et comparent leur ordre de grandeur [170, 171]. Ils ont ´etudi´e de fa¸con similaire les r´eponses visco´elastique et biochimique de cellules vivantes soumises `a des perturbations m´ecaniques induites par la pression de radiation [172]. L’ int´erˆet du caract`ere non invasif et localis´e des d´eformations induites par pression de radiation est soulign´e par ces exp´eriences.

K¨as et al ont eux brevet´e un nouvel outil pour la micromanipulation de cellules. L’ appareil (cf Fig. (2.18(a))) s’ appelle ” optical stretcher ” car son principe est d’ ´eti-rer optiquement des cellules pi´eg´ees sous l’illumination de deux fibres optiques (laser titane/saphir, λ = 780nm). Le pi`ege dual pr´esente l’ int´erˆet d’ ´eviter tout d´eplacement d’ ensemble de la cellule et de pouvoir cumuler les effets des deux faisceaux laser puisque la d´eformation ne d´epend pas du sens de l’ illumination. La cellule, d’ indice effectif nef f > 1 s’ ´etire selon l’ axe du faisceau comme un milieu di´electrique mou [173]. La gamme des forces applicables sur la cellule s’ ´etend du piconewton au nanonewton, soit des forces jusqu’ `a 100 fois plus importantes qu’avec des pincettes optiques classiques, et ceci sans dommages radiatifs pour les cellules. En effet, les faisceaux laser n’ ont pas besoin d’ˆetre focalis´es et l’ absorption est faible `a la longueur d’ onde choisie. Des globules rouges `a l’ ´elasticit´e bien d´efinie ont ´et´e ´etir´es (cf Fig. (2.18(b))) et leurs d´eformations compar´ees avec un mod`ele th´eorique. On notera encore une fois l’ avantage que procure la localit´e des d´eformations induites par pression de radiation, si l’on compare par exemple avec les exp´eriences de la r´ef´erence [116] pr´esent´ees sur la figure (2.9). La compacit´e du dispo-sitif permet son couplage avec une chambre d’ analyse pour caract´eriser rapidement un grand nombre de cellules. Le but ultime est en effet de construire un dispositif de diag-nostic capable de diff´erencier par leur r´eponse ´elastique des cellules malignes de cellules saines [174]. A noter ´egalement que sous forte puissance, les cellules se d´eforment de fa¸con extrˆemement non-lin´eaire (cf Fig. (2.18(c))), tout comme les filaments form´es pour les gouttelettes sous champ.