Lorsque les physiciens dirigeaient une minuscule microparticule vers un impediment cylindrique, ils s’attendaient à ce que l’un des deux résultats se produise. La particule entrerait en collision avec l’obstacle ou le contournerait. La particule, cependant, n’a fait ni l’un ni l’autre.
L’équipe de chercheurs – dirigée par la Northwestern University et l’École polytechnique en France – a été surprise et perplexe de voir la particule se courber autour de l’obstacle, puis de s’en tenir à l’arrière. L’obstacle, semblait-il, avait effectivement piégé la particule.
Après une série de simulations et d’expériences, les chercheurs ont décrypté la physique en jeu derrière cet étrange phénomène. Trois facteurs ont causé le comportement de piégeage inattendu : l’électrostatique, l’hydrodynamique et le mouvement aléatoire erratique des molécules environnantes. La taille de l’obstacle a également déterminé combien de temps la particule est restée piégée avant de s’échapper.
Les nouvelles connaissances pourraient être exploitées pour faire progresser les purposes microfluidiques et les systèmes d’administration de médicaments, qui reposent tous deux sur des microparticules pour naviguer dans des paysages complexes et structurés.
L’étude sera publiée le 8 mars dans la revue Science Advancements.
“Je ne m’attendais pas du tout à voir du piégeage dans ce système”, a déclaré Michelle Driscoll de Northwestern, qui a codirigé l’étude. “Mais le piégeage ajoute beaucoup d’utilité au système automobile nous avons maintenant un moyen de collecter les particules. Des tâches telles que le piégeage, le mélange et le tri sont très difficiles à réaliser à une si petite échelle. Vous ne pouvez pas simplement réduire les processus standard de mélange et trier parce qu’un autre style de physique entre en jeu à cette limite de taille. Il est donc significant d’avoir différentes façons de manipuler les particules.
Driscoll est professeur adjoint de physique au Weinberg Higher education of Arts and Sciences de Northwestern. Elle a codirigé l’étude avec Blaise Delmotte, chercheur à l’École polytechnique.
De taille similaire à celle des bactéries, les microrouleaux sont des particules microscopiques synthétiques capables de se déplacer dans un environnement fluide. Driscoll et son équipe s’intéressent particulièrement aux microrouleaux pour leur capacité à se déplacer librement – et rapidement – dans différentes directions et leur potentiel à transporter et à livrer des marchandises dans des environnements complexes et confinés, y compris dans le corps humain.
Les microrouleaux du laboratoire de Driscoll sont en plastique avec un noyau d’oxyde de fer, ce qui leur donne un champ magnétique faible. En plaçant les microrouleaux dans une microchambre scellée (100 millimètres sur 2 millimètres sur, 1 millimètre), les chercheurs peuvent contrôler la course dans laquelle ils se déplacent en manipulant un champ magnétique rotatif autour de l’échantillon. Pour changer la façon dont les microrouleaux se déplacent, les chercheurs reprogramment simplement le mouvement du champ magnétique pour tirer les microrouleaux dans différentes instructions.
Mais les dispositifs microfluidiques et le corps humain sont, bien sûr, des paysages beaucoup as well as complexes par rapport à une chambre d’échantillon sans particularité. Ainsi, Driscoll et ses collaborateurs ont ajouté des obstructions au système pour voir comment les microrollers pouvaient naviguer dans l’environnement.
“Pour des applications réalistes, vous n’allez pas seulement avoir ce système avec des particules assises dans un espace ouvert”, a déclaré Driscoll. “Ce sera un paysage complexe. Vous devrez peut-être déplacer les particules à travers des canaux sinueux. Nous avons donc voulu d’abord explorer la edition la furthermore basic du problème : un microrouleau et un obstacle.”
Dans les simulations informatiques et dans l’environnement expérimental, Driscoll et son équipe ont ajouté des road blocks cylindriques à la chambre d’échantillonnage. Parfois, le microroller naviguait autour de l’obstacle sans problème, mais d’autres fois, il se balançait autour de l’obstacle et se coinçait derrière lui.
“Nous avons vu la particule cesser de se déplacer devant l’obstacle et rester coincée”, a déclaré Driscoll. “Nous avons vu le même comportement dans les simulations et dans les expériences.”
En modifiant les paramètres dans les simulations et en analysant les données, Driscoll et son équipe ont découvert que l’hydrodynamique du fluide à l’intérieur de la chambre d’échantillonnage créait des zones stagnantes. En d’autres termes, le micro-rouleau en rotation fait circuler le fluide dans la chambre. Mais les écoulements ont également créé des poches – dont une directement derrière l’obstacle – où le fluide est resté immobile et ne s’écoulait pas. Lorsque la particule est entrée dans la zone stagnante, elle a cessé de bouger et s’est bloquée.
Mais pour atteindre la zone stagnante, la particule a dû effectuer un demi-tour déconcertant. Après avoir dépassé l’obstacle, le micro-rouleau s’incurve autour de celui-ci et se colle à son dos. Driscoll a découvert que les mouvements aléatoires (appelés mouvement brownien) des molécules à l’intérieur du fluide “poussaient” le microrouleau dans la zone stagnante.
“Les matériaux minuscules sont sujets aux fluctuations browniennes”, a expliqué Driscoll. “Le fluide n’est pas réellement un continuum mais est composé de petites molécules individuelles. Ces molécules s’enfoncent constamment dans la particule selon des orientations aléatoires. Si la particule est suffisamment petite, ces collisions peuvent la déplacer. C’est pourquoi, si vous regardez de minuscules particules sous un microscope, on dirait qu’ils jonglent un peu.”
L’équipe de Driscoll a également découvert que la taille de l’obstacle contrôle la durée pendant laquelle la particule restera piégée avant de s’échapper. Par exemple, il est furthermore facile pour les fluctuations browniennes de projeter la particule dans la région de piégeage lorsque l’obstacle est furthermore petit. En modifiant la taille de l’obstacle, les chercheurs peuvent augmenter le temps de piégeage de plusieurs ordres de grandeur.
“Habituellement, les fluctuations browniennes sont destructrices pour les expériences vehicle elles sont une source de bruit”, a déclaré Driscoll. “Ici, nous pouvons tirer parti du mouvement brownien pour faire quelque selected d’utile. Nous pouvons activer cet effet de piégeage hydrodynamique.”