La poussière plasma sépare les microsphères par taille
Contexte
La séparation des particules par taille est importante dans de nombreux domaines, mais dans les liquides ordinaires, les particules se déplacent lentement en raison du frottement important. Le plasma poussiéreux, où les microsphères sont chargées et faiblement couplées au gaz, permet aux particules de se déplacer rapidement, jusqu'à 1 cm/s. À côté de ce travail, les archives contiennent des études sur les instabilités de faisceau dans les accélérateurs à plasma et sur l'autofocalisation du plasma, mais ce travail se distingue : il utilise un mécanisme de ratchet pour séparer les particules, et non pour les accélérer ou les focaliser.
Méthodes
Les chercheurs ont construit un canal annulaire entre deux anneaux dentés dans une chambre contenant un plasma d'argon. Ils ont introduit dans le canal des microsphères de deux tailles : rayons de 8 et 14 μm. Les particules se chargeaient dans le plasma et se suspendaient au-dessus de l'électrode inférieure. Leur mouvement était filmé par une caméra située au-dessus, à une vitesse de 50 images par seconde. Ensuite, à l'aide d'une simulation numérique dans COMSOL, ils ont calculé la distribution du champ électrique et du potentiel dans le canal afin de comprendre à quelle hauteur les particules se suspendent et quel potentiel de ratchet elles subissent.
Résultats
À une pression de 25 Pa et une puissance de 20 W, les particules de rayon 8 μm se déplaçaient dans le sens positif, tandis que celles de 14 μm se déplaçaient dans le sens négatif. À une puissance de 30 W, les deux groupes se déplaçaient dans le sens positif, mais les petites particules avaient une vitesse angulaire de 0.038 rad/s, tandis que les grandes avaient une vitesse angulaire de 0.013 rad/s, soit une différence d'un facteur trois. À une puissance de 12 W, les deux groupes se déplaçaient dans le sens négatif, mais à des vitesses différentes. La simulation a montré que les particules de tailles différentes se suspendent à des hauteurs différentes et subissent des potentiels de ratchet avec des orientations ou des hauteurs de barrière différentes.
Implications
Ce travail se distingue des études voisines par le fait qu'il démontre pour la première fois la séparation de particules dans un plasma poussiéreux à l'aide d'un potentiel de ratchet. Auparavant, dans les plasmas poussiéreux, on n'étudiait que le redressement du flux de particules identiques ; ici, on montre que l'on peut contrôler indépendamment le mouvement de particules de tailles différentes. Cela ouvre la voie à la création de trieurs de particules à plasma qui fonctionnent plus rapidement que leurs équivalents liquides.
Développements futurs
La méthode peut être étendue à d'autres tailles de particules et à d'autres gaz. Les auteurs ont déjà testé la séparation dans un plasma d'air et ont développé une conception linéaire avec deux sorties. À terme, il serait possible de créer des dispositifs de tri continu de microparticules à l'échelle industrielle.
Impact
La technologie pourrait être appliquée en microfluidique, en pharmacie et en science des matériaux pour trier des microparticules.
Prochaines étapes
Il faut étudier l'influence du sillage ionique sur l'efficacité de la séparation et optimiser la conception pour augmenter le débit.
Problèmes ouverts clés
La question de savoir comment les effets collectifs dans un plasma poussiéreux fortement couplé influencent le transport des particules à haute densité reste ouverte. Il n'est pas non plus clair comment éviter l'influence du sillage ionique lorsque la différence de taille entre les particules est faible.
La vitesse du flux de particules de poussière dans cette expérience atteignait 1 cm/s, ce qui est comparable à la vitesse d'un escargot.
L'idée de séparer des particules à l'aide d'un potentiel asymétrique rappelle le démon de Maxwell, qui trie les molécules selon leur vitesse, mais ici tout fonctionne sans violer le deuxième principe de la thermodynamique.
Chiffres clés
- rayons des particules: 8 et 14 μm
- vitesse du flux: jusqu'à 1 cm/s
- vitesse angulaire des petites particules: 0.038 rad/s
- vitesse angulaire des grandes particules: 0.013 rad/s
- pression du gaz: 15–40 Pa
- puissance de la décharge: 12–30 W