Des ingénieurs transforment un faisceau laser en un flux de liquide

Les lasers sont l'une des percées emblématiques de la science du XXe siècle. Ils produisent des photons cohérents dans des faisceaux serrés d'énergie spécifique. Ils peuvent transmettre des données, détecter des molécules et brûler du métal. Les photons qu'ils produisent ont également une quantité de mouvement importante.

Et cela soulève une question intéressante. Est-il possible de transférer cette quantité de mouvement pour générer des rayons de matière comme un écoulement liquide ? Pas jusqu'à maintenant.

Jiming Bao de l'Université de Houston au Texas et quelques amis disent avoir découvert un tout nouveau procédé optofluidique qui permet d'utiliser un faisceau laser pour créer un flux de liquide. La technique a de nombreuses applications dans la microfluidique, la biochimie, la microfabrication et tout processus qui dépend de la technologie de laboratoire sur puce.

Ce que Bao et co ont découvert est un moyen de générer des flux liquides étroitement concentrés à l'intérieur d'un fluide. Cette découverte est quelque peu surprenante.

La lumière laser n'interagit généralement pas avec l'eau, sauf à une interface avec un autre milieu, tel que l'air. Les photons peuvent pousser contre une telle interface, bien que le transfert d'impulsion soit faible et certainement trop faible pour entraîner un écoulement de fluide.

Cependant, Bao et co ont découvert qu'ils pouvaient générer un flux d'eau à l'intérieur d'un plus grand volume d'eau s'il contenait des nanoparticules d'or. Ils ont fait briller un laser vert pulsé à travers la paroi de verre du conteneur et, après quelques minutes, ont observé un courant de liquide s'écoulant rapidement dans la direction du faisceau.

Les flux apparaissent comme des analogues liquides des faisceaux laser et se déplacent dans les mêmes directions que les faisceaux réfractés comme s'ils étaient directement entraînés par des photons de faisceaux laser, disent Bao et co. Nous appelons ce phénomène le streaming laser.

C'est quelque chose d'une surprise, et les nanoparticules sont essentielles. Si l'eau est pure, sans nanoparticules ajoutées, le faisceau laser passe sans entrave et sans aucun flux.

Bao et co doivent travailler dur pour déterminer ce qui se passe. Il s'avère que les nanoparticules absorbent significativement la lumière verte, qui est proche de la fréquence de résonance des électrons qu'elles contiennent.

Cela provoque le réchauffement et le refroidissement des particules à chaque impulsion de lumière, se dilatant et se contractant au cours du processus. Cela génère des ondes acoustiques dans l'eau. Ce type d'ultrasons est connu depuis longtemps pour déplacer le liquide dans un processus appelé flux acoustique.

Mais les ultrasons en eux-mêmes ne garantissent pas le mouvement liquide. Donc quelque chose d'autre doit se passer. Bao et co affirment que le chauffage et le refroidissement des nanoparticules près de la paroi du récipient les font se lier au verre. Au fil du temps, les nanoparticules s'incrustent autour du point où le laser pénètre dans le liquide et cela crée une sorte de nanocavité sur le verre.

La nanocavité est la clé de ce phénomène. Par une merveilleuse coïncidence, la cavité a juste la bonne taille et la bonne forme pour focaliser les ultrasons générés par les nanoparticules incrustées. En d'autres termes, la cavité devient une chambre de résonance - un haut-parleur - qui génère un faisceau d'ultrasons. Bao et co disent que le flux de liquide est entraîné par cet ultrason focalisé et directionnel.

C'est une découverte fascinante qui relie la nanophotonique, la microfluidique, l'acoustique et la science des matériaux. Et cela a des implications importantes. La capacité de déplacer des liquides à l'échelle microscopique est cruciale pour toutes sortes d'expériences de laboratoire sur puce. Il est également utile pour la nanofabrication et même pour la propulsion laser.

Bao et co sont optimistes quant à l'avenir. Le streaming laser trouvera des applications dans des dispositifs à commande optique ou activés tels que la microfluidique, la propulsion laser, la chirurgie et le nettoyage au laser, le transport de masse ou le mélange, pour n'en nommer que quelques-uns, disent-ils.

Nous attendons avec impatience de suivre ses progrès.

Réf : arxiv.org/abs/1708.05852 : Laser Streaming : Transformer un faisceau laser en flux de liquide

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