Sarah Vincent, doctorante dans l’équipe Acoustique pour les nanosciences soutient sa thèse le vendredi 6 janvier 2023 à 14 h.
Sorbonne Université – Campus Pierre et Marie Curie – 4 Place Jussieu – 75005 PARIS – IMPMC – Amphi Charpak – Tour 22, niveau Saint-Bernard.
Démonstration de piégeage axial par deux dispositifs de pince acoustique. A Gauche : piège d’une bille de polyacétal de diamètre 4,76 nm dans l’air en micropesanteur. A droite : piège de bille de silice de diamètre 14 μm dans l’eau en pesanteur terrestre. © INSP
Force de rappel axiale de la pince acoustique et applications à la manipulation sans contact
Résumé
La manipulation sans contact est le fait de manipuler un objet sans contact physique par l’action de forces à distance. Récemment, une nouvelle modalité de manipulation, la pince acoustique, s’est imposée par ses spécificités remarquables : sélectivité, précision, accessibilité et tridimension- nalité assurée par la force de rappel axiale. Celle-ci résulte de l’interaction du vortex acoustique focalisé, champ acoustique à structure hélicoïdale, avec une sphère élastique. La force de radiation issue de cette interaction est néanmoins faible et ainsi difficile à étudier en raison d’effets concur- rents comme le poids ou le streaming acoustique, écoulement produit par l’atténuation des ondes acoustiques dans le volume du fluide. Malgré les études récentes sur ce sujet, la caractérisation de la force de radiation exercée sur une sphère élastique reste incomplète.
Les travaux de thèse rapportés ici se concentrent sur la caractérisation de la force axiale de rappel par le biais de deux nouveaux dispositifs expérimentaux de pince acoustique, ainsi que des outils théoriques et numériques. Le premier dispositif est destiné à la manipulation d’objets millimétriques dans l’air en micropesanteur. Des observations de piège sont réalisées en vols paraboliques ainsi que dans la Station Spatiale Internationale et ouvrent la voie vers le développement de la pince acoustique comme instrument scientifique pour la science des matériaux, la mécanique des fluides ou encore la biologie. Dans le second dispositif, la pince acoustique est miniaturisée et destinée à la manipulation d’objets micrométriques biologiques. Sa mise en œuvre marque une première étape vers cette application. La faisabilité de la pince acoustique haute-fréquence pour la manipulation tridimensionnelle d’objets sphériques est démontrée numériquement et expérimentalement. La conception de cette pince acoustique met en perspective le développement d’une pince encore plus haute-fréquence. Le streaming acoustique généré dans la configuration précédente est étudié numériquement et l’outil développé constitue un moyen supplémentaire pour le dimensionnement des pinces acoustiques, démarche indispensable pour la conception d’instruments adaptés.
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Sarah Vincent, PhD student in the Acoustics for Nanosciences team is defending her thesis on Friday, January 6, 2023 at 2pm.
Sorbonne University – Campus Pierre et Marie Curie – 4 Place Jussieu – 75005 PARIS – IMPMC – Amphi Charpak – Tower 22, level Saint-Bernard.
Axial restoring force of the acoustic tweezers and applications to contactless manipulation
Abstract
Contactless manipulation is the act of manipulating an object without physical contact by the action of remote forces. Recently, a new modality, acoustic tweezers, has emerged with re- markable specificities : selectivity, precision, accessibility and three-dimensionality provided by the axial restoring force. The latter results from the interaction of the focused acoustic vortex, an acoustic field with a helical structure, and an elastic sphere. The radiation force resulting from this interaction is, however, weak and thus difficult to study due to competing effects such as weight or acoustic streaming, a flow produced by the attenuation of acoustic waves in the bulk of the fluid. Despite recent studies on this subject, the characterisation of the radiation force exerted on an elastic sphere remains incomplete.
The thesis work reported here focuses on the characterisation of the axial restoring force through two new experimental acoustic tweezers devices, as well as theoretical and numerical tools. The first device is designed for the manipulation of millimetre-sized objects in air in micro- gravity. Trapping are observed in parabolic flights as well as on the International Space Station and are paving the way for the development of acoustic tweezers as a scientific instrument for materials science, fluid mechanics and biology. In the second device, the acoustic tweezers are miniaturised and intended for the manipulation of biological micrometric objects. Its imple- mentation marks a first step towards this application. The feasibility of high-frequency acoustic tweezers for the three-dimensional manipulation of spherical objects is demonstrated numerically and experimentally. The design of this acoustic tweezers puts in perspective the development of an even higher frequency tweezers. The acoustic streaming generated the previous configuration is studied numerically and the tool developed constitutes an additional means for the scaling of acoustic tweezers, which is essential for the design of suitable instruments.
- M. Jean-François Manceau (Pr à l’Université de Franche-Comté, Institut Femto-st) : Rapporteur
- M. Valéry Botton (Pr à l’INSA Lyon, LMFA) : Rapporteur
- M. Michaël Baudoin (Pr à l’Université de Lille, IEMN) : Examinateur
- M. Régis Wunenburger (Pr à SU, IJLRA) : Examinateur
- M. Régis Marchiano (Pr à SU, IJLRA) : Directeur
- M. Jean-Louis Thomas (DR CNRS, INSP) : Directeur
