Comment l'élasticité d'un fluide modifie le piège à particules express
Une goutte de shampoing épais tombe dans l'eau et se fige en un cordon bizarre. Un fluide qui à la fois s'écoule et rebondit est dit viscoélastique. Dans un tel fluide, de minuscules particules soumises aux ultrasons se comportent très différemment de ce qu'elles feraient dans l'eau.
Dans un microcanal rempli d'un tel fluide, on active les ultrasons – et deux écoulements apparaissent. L'un, acoustique, pousse les particules vers certaines zones, comme le vent pousse le pollen vers une clôture. L'autre, tourbillonnaire, issu de la puissance du son, mélange lui-même le fluide et peut emporter les particules. Dans un milieu viscoélastique, ces forces s'entremêlent différemment : l'élasticité du fluide agit comme un filet invisible qui tantôt attrape la particule, tantôt la relâche. Les scientifiques ont construit un modèle basé sur les équations du fluide d'Oldroyd-B – une description mathématique où le fluide se souvient des déformations récentes, comme un élastique.
Les principales manettes se sont révélées être deux nombres. Le nombre de Deborah (De) compare le temps de relaxation des contraintes élastiques dans le fluide à la période des ultrasons : plus il est grand, plus le fluide « se souvient » de la poussée. Le nombre de diffusion visqueuse (Dv) indique la vitesse à laquelle les tourbillons s'atténuent sous l'effet de la viscosité. En les modifiant, on peut déplacer le piège à particules d'un endroit à un autre : du centre du canal vers la paroi, vers une ligne où la pression ne fluctue pas, ou vers l'axe de symétrie du son.
C'est ainsi que naît l'acoustofluidique pour les fluides complexes – la possibilité de trier sans contact des particules de moins d'un micromètre. C'est une voie directe vers un travail délicat avec des cellules vivantes, des virus ou des gouttes de médicaments, où il est crucial de ne pas endommager la charge. Et tout cela grâce au fait que le fluide est un peu élastique.
Le nombre de Deborah doit son nom à la prophétesse du Livre des Juges, qui a dit : « Les montagnes fondent devant le Seigneur » – une allusion au fait que même le solide peut s'écouler si on l'observe assez longtemps.
Dans le roman « Expansion », les ingénieurs utilisent des champs sonores pour contrôler les flux en apesanteur – un principe similaire, mais ici c'est l'inertie qui joue le rôle de la viscoélasticité.