Photomanipulation d’une goutte

 

S’il y a une équipe qui n’a pas coincé la bulle, c’est bien celle de Damien Baigl.

Ce chercheur a en effet réussi à déplacer une goutte d’un acide gras sur une surface liquide par la simple action de lumière.

Si d’autres systèmes (thermique, électrique, chimique…) ont déjà permis, par le passé, de mettre une goutte de liquide en mouvement, la lumière permet un bien meilleur contrôle : de celui-ci, de la zone irradiée et de l’excitation.

 

L’expérience est finalement assez simple : il suffit de déposer une goutte d’acide oléique sur une solution aqueuse dans laquelle a préalablement été dissout de l’AzoTAB (azobenzène triméthylammonium bromide), un surfactant photosensible.

En illuminant la goutte à l’aide de lumière à 365nm il est possible d’observer le mouvement de celle-ci.

 

Fig.1 : Surfactant photosensible

 

Magique ??? Pas tant que ça… Dur à comprendre ? Un peu… Mais faisons simple… Le phénomène mis en jeu est appelé : chromocapillaire.

En fait tout est basé sur une différence de tension interfaciale.

La tension interfaciale est la différence de tension de surface entre la surface de la goutte et la surface du liquide sur lequel elle est placée.

Supposons que l’on coupe, de façon imaginaire, le liquide sur lequel est posé la goutte en deux parties (A et B) présentant chacune une tension de surface qui lui est propre. On place ensuite la goutte à cheval entre les deux parties du liquide. Nous allons donc avoir d’un coté une tension interfaciale entre le liquide A et la goutte et de l’autre coté une autre tension interfaciale entre le liquide B et la même goutte. Nous avons bien une différence de tension interfaciale de part et d’autre de la goutte.

Ensuite, comme une différence de potentiel entre deux électrodes entraîne un mouvement d’électrons, la différence de tension interfaciale entre les deux bouts de la goutte va entraîner le mouvement de celle-ci, de la forte différence de tension vers la plus faible. Simple n’est-ce pas…

 

La question suivante est alors : d’où vient cette différence de tension interfaciale ?

Elle provient du surfactant photosensible. En effet, celui-ci est composé d’un groupe azobenzène isomérisable sous l’action de la lumière.

Le groupe trans irradié par de la lumière UV va devenir cis et la groupe cis irradié par de la lumière visible (475nm) va redevenir trans. Sous sa forme trans la molécule est peu polaire tandis que sous sa forme cis, elle l’est beaucoup. Cette différence de polarité de la molécule va entraîner une différence de tension de surface selon que la molécule est trans ou cis.

 

Fig. 2 : Isomérisation trans/cis de la molécule photosensible

 

Ainsi en illuminant la goutte de façon dissymétrique (irradiation seulement d’un coté de la goutte – Fig.3 b)), seule la partie du liquide illuminée va voir sa polarité changer (en raison de l’isomérisation trans/cis), créant une différence de tension interfaciale entre la partie illuminée située sous la goutte et celle non illuminée (également située sous la goutte).

La goutte se déplace !

 

Fig. 3 : a) Dispositif expérimental employé. b) Mouvement de la goutte induit par la différence de tension interfaciale. Le mouvement à lieu de façon à minimiser cette différence.

 

Il a ainsi été possible de faire un premier aller en illuminant le goutte à l’aide de lumière UV, puis un retour en l’illuminant à l’aide de lumière visible (pour refaire passer les groupes azobenzène en configuration cis sous leur forme trans). Plusieurs cycles pouvant ainsi entre enchaînés.

 

Fig. 4 : Mouvement réversible de la goutte sous irradiation lumineuse. Vers la droite sous lumière UV et vers la gauche sous irradiation à 475nm.

 

Il a également été possible de piéger la goutte dans un « piège chromocapillaire » consistant en une double illumination de la goutte à l’aide de deux lampes de longueur d’onde différentes. De la lumière UV (365nm) entourant toute la goutte et un fin faisceau de lumière à 475nm à l’intérieur de la goutte.

De cette façon il a été possible de guider précisément la goutte à une vitesse moyenne de 300 µm/s.

 

Fig. 5 : a) Montage expérimental du piège chromocapillaire. b) Photographies prises à différents instants lors du trajet de la goutte. En superposant chaque photo prise à un instant donné, il est possible d’écrire des lettres.

 

Cette nouvelle méthode de contrôle précis du mouvement de fluides pourrait avoir des applications dans les microréacteurs, la manipulation de fluides dangereux…

 

 

Source : Diguet, A.; Guillermic, R.-M.; Magome, N.; Saint-Jalmes, A.; Chen, Y.; Yoshikawa, K.; Baigl, D. Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 9281

 

PS : N’hésitez pas à aller jeter un coup d’œil sur les vidéos de ces expériences :

http://www3.interscience.wiley.com/journal/122672838/suppinfo