Présentation de l’étude

L’idée innovante à l’origine de ce projet est de lier deux particules magnétiques par une nano-charnière flexible pour réaliser une micro/nano-pince magnétique capable de s’ouvrir et fermer sur commande par l’application d’un champ magnétique externe. Son actionnement est basé sur le principe fondamental d’attraction et répulsion entre deux corps aimantés. La nature répulsive ou attractive de leur interaction magnétostatique dépend de la direction de l’aimantation dans chacune des mâchoires.

En l’absence de champ appliqué, la pince apparaît fermée car les aimantations dans les deux mâchoires sont soit nulles (si elles sont toutes deux composées du même matériau ferromagnétique doux), soit en configuration antiparallèle et s’attirent mutuellement (si l’une d’elles au moins a une aimantation rémanente).

Lorsqu’un champ magnétique suffisant est appliqué, les mâchoires vont s’aimanter dans la direction du champ et atteindre une configuration parallèle, ce qui déclenche leur répulsion mutuelle et l’ouverture de la pince. Cette dernière peut être grandement augmentée si le champ est appliqué hors du plan des pinces. L’amplitude de cette ouverture est déterminée par l’équilibre entre le couple magnétique et le couple élastique dû à la force

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de rappel de la charnière qui s’exercent sur la mâchoire mobile. La charnière doit donc être suffisamment flexible pour permettre une bonne ouverture de la pince sans être trop fragile.

Ce principe de fonctionnement requiert que l’aimantation de chaque mâchoire reste dans le plan de la couche magnétique. En effet, si l’aimantation pouvait pivoter hors du plan à l’intérieur du volume des mâchoires, le couple magnétique exercé par les champs appliqués ne serait pas traduit mécaniquement et aucun mouvement ne serait produit. Cette propriété est assurée par l’énergie d’anisotropie de forme, qui augmente lorsque l’épaisseur des mâchoires diminue.

Il est aussi essentiel que le retournement de l’aimantation d’au moins une des deux mâchoires puisse être obtenu par l’application d’un champ aussi faible que possible, pour passer aisément de la configuration antiparallèle à parallèle. Ceci implique l’utilisation d’un matériau magnétique de faible coercitivité.

Enfin, une aimantation à saturation élevée est souhaitable dans chacune des mâchoires magnétiques afin d’optimiser le fonctionnement des pinces car cela augmente le couple magnétique que l’on peut exercer sur elles, ainsi que le champ magnétique qu’elles génèrent.

Selon les applications visées, les pinces pourront être composées d’une seule mâchoire magnétique (l’autre étant non-magnétique) ou de deux mâchoires magnétiques dont les propriétés peuvent être identiques ou non. Le premier cas sera appelé « doux/non- magnétique » tout au long du manuscrit tandis que les pinces entièrement magnétiques seront nommées « doux/doux » et « doux/dur », faisant allusion à la coercitivité de chaque mâchoire magnétique. Une mâchoire dite dure sera faite d’un matériau dont la coercitivité est notablement supérieure à celle du matériau doux mais pas nécessairement un aimant permanent.

Les pinces «doux/non-magnétiques » seront particulièrement adaptées à des applications où les pinces restent fixées à un substrat (« lab-on-chips » à détection optique, mesure de forces au sein d’assemblages de biomolécules, ...). En effet, la mâchoire supérieure mobile peut être actionnée par un champ appliqué tandis que l’autre, non- magnétique, reste attachée au substrat. Les pinces avec deux mâchoires magnétiques pourront aussi être utilisées dans cette configuration.

En revanche, seules les pinces « doux/doux » ou « doux/dur » dont les mâchoires peuvent interagir pour s’attirer ou se repousser mutuellement sont adaptées à des applications où les pinces sont libérées en solution (tri d’échantillons biologiques, nano-

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biopsie non-invasive, ...). Le mécanisme de déclenchement de l’ouverture des pinces est légèrement différent si les deux mâchoires sont en matériau doux ou si l’une d’elle est dure, ce qui pourra être mis à profit en fonction de l’application visée.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet Nanoshark financé par l’Agence Nationale de la Recherche (référence : ANR-11-NANO-001) mené en collaboration entre les laboratoires Spintec, SPrAM, tous deux membres de l’INAC (Institut Nanosciences et Cryogénie) et LTM du CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). La thèse couvre les 3 premières années du projet qui dure 4 ans au total et s’est principalement déroulée entre Spintec pour le développement théorique et technologique des pinces et le SPrAM (équipe CREAB) pour leur fonctionnalisation chimique.

Les principaux objectifs de la thèse étaient les suivants :

Dans un premier temps, construire un modèle analytique permettant de décrire et prédire le comportement des micro/nano-pinces magnétiques pour orienter leur fabrication et aider à l’interprétation de leur caractérisation expérimentale.

Dans un second temps, développer un procédé de fabrication permettant de réaliser des pinces de composition et dimensions permettant leur actionnement à distance par l’application d’un champ magnétique. Cette étude technologique a été menée dans la salle blanche de la Plateforme Technologique Amont (PTA) au CEA.

Finalement, démontrer et caractériser l’actionnement magnétique des pinces, l’objectif majeur de la thèse. Dans ce but, une expérience originale a été mise en place à la Plateforme de Nano-caractérisation (PFNC), où une microsphère magnétique attachée à un bras micro-manipulé a été utilisée comme micro-source locale de champ magnétique pour actionner des pinces individuellement.