Un liquide qui suit la lumière.

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Manipuler de petites quantités de liquide n’est plus conditionné à l’utilisation d’éléments mécaniques miniaturisés. Une méthode pour manipuler des gouttes à l’aide de la lumière vient en effet d’être mise au point grâce à une collaboration entre chercheurs du département de chimie  de l’Ecole Normale Supérieure de Paris (ENS/CNRS/Université Pierre et Marie Curie), de l’Institut de Physique de Rennes (CNRS / Université de Rennes 1)  et de l’Université de Kyoto. Cette nouvelle méthode permet de manipuler des gouttes à grande vitesse le long de trajectoires complexes et variées. Ce travail est décrit dans la revue Angewandte Chemie de novembre 2009.

La lumière a déjà été utilisée pour déplacer des gouttes sur des surfaces solides photosensibles ou grâce à sa capacité à transférer de la chaleur au liquide sur lequel elle est focalisée. Ces approches ne permettent néanmoins que des déplacements simples et à faible vitesse (1 à 10 µm.s-1). C’est en exploitant la possibilité de modifier localement la tension de surface d’une interface eau/huile  sous excitation lumineuse, que les chercheurs ont mis au point une nouvelle technique pour déplacer le long de trajectoires variées des gouttes d’huile flottant sur l’eau avec une vitesse d’environ 300 µm.s-1, le long de trajectoires variées.

Les molécules dites tensioactives ont la capacité de modifier la tension superficielle de la surface d’une solution. Certaines d’entres elles peuvent voir leur polarité modifiée en fonction de la longueur d’onde de l’éclairement. Pour les molécules utilisées dans cette étude, la polarité augmente sous éclairement UV et diminue sous éclairement bleu. A ces variations de polarité induites par la lumière correspondent des modifications de la tension de surface du liquide dans lequel est dissout le tensioactif photosensible. En introduisant ce type de molécules dans un bain d’eau sur lequel flotte une goutte d’huile, il est alors possible de créer une variation locale de la tension interfaciale eau/huile  en illuminant partiellement la goutte avec de la lumière UV et/ou bleue.

La création d’une variation locale de la tension interfaciale induit alors un déplacement du liquide tangentiellement à l’interface. Ainsi, lorsque la goutte est placée sous irradiation partielle, ce mouvement interfacial du liquide induit un déplacement de la goutte  : celle-ci fuit la lumière UV et est attirée par la lumière bleue. Ce phénomène capillaire qui dépend de la longueur d’onde d’illumination a été baptisé ‘effet chromocapillaire’.

La goutte est donc animée d’un mouvement piloté par la longueur d’onde de l’illumination : il devient possible de la manipuler avec un motif lumineux composé de deux longueurs d’onde (UV et bleu). A la manière d’une pince optique macroscopique, la goutte est piégée au centre d’un disque de lumière bleue (attraction) entouré d’un anneau de lumière UV (répulsion). La goutte peut ainsi être déplacée à volonté à une vitesse de l’ordre de 300 µm.s-1, ce qui est environ 30 fois plus rapide que les mouvements observés traditionnellement sur des surfaces solides photosensibles. L’illustration montre une superposition d’images extraites d’un film dans lequel une goutte d’huile (visible en jaune) est dirigée par le piège optique (halo bleu) le long d’une trajectoire en forme de cœur.

Cette nouvelle méthode de conversion directe de l’énergie lumineuse en énergie mécanique ouvre de nouvelles perspectives pour les systèmes photostimulables, le déplacement de liquide en milieu confiné (microfluidique) et la manipulation sans contact d’échantillons fragiles ou dangereux.

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