• Langue : Anglais
• Discipline : Acoustique
• Identifiant : 2024ULILN038
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 13/12/2024

Résumé en langue originale

Les techniques à ultrasons se sont révélées être des outils puissants pour contrôler les gouttelettes dispersées immiscibles. En modelant soigneusement le champ acoustique, ces gouttelettes peuvent être triées, divisées, fusionnées, ciblées sélectivement et repositionnées avec précision. Les méthodes courantes incluent l'utilisation d'ondes stationnaires pour capturer les gouttelettes à des nœuds ou des ventres de pression spécifiques, ainsi que l'emploi d'ondes progressives pour déplacer les gouttelettes le long du chemin de propagation de l'onde. Des percées récentes ont conduit au développement de pinces acoustiques sélectives, qui utilisent des faisceaux focalisés ou des vortex acoustiques pour la manipulation précise de gouttelettes individuelles. Cependant, la manipulation par ultrasons s'est traditionnellement concentrée sur les fluides immiscibles. Karlsen, Augustsson, et Bruus [Phys. Rev. Lett. 117, 114504 2016] ont suggéré la possibilité de manipuler des fluides miscibles avec des pinces sélectives. Cependant, leurs travaux étaient purement théoriques et aucune démonstration expérimentale n'a encore été réalisée. Une telle démonstration est complexe en raison du faible contraste acoustique entre les fluides miscibles et du processus de diffusion qui brouille progressivement l'interface.Cette recherche doctorale démontre expérimentalement la possibilité de structurer, de piéger et de déplacer des fluides miscibles à l'aide de pinces acoustiques sélectives. Elle explore les interactions complexes entre les ondes ultrasonores et les fluides miscibles, en se concentrant particulièrement sur les effets acoustiques non linéaires tels que la force de radiation acoustique et le streaming acoustique, ainsi que leur influence sur le comportement des fluides à des échelles microscopiques. L'installation expérimentale intègre des pinces acoustiques à faisceau unique avec des dispositifs microfluidiques, permettant un contrôle et une manipulation précis des fluides. Les résultats expérimentaux sont comparés à des simulations numériques, révélant une bonne concordance entre les deux.Nous avons également exploré la manipulation d'autres objets avec un faible contraste acoustique : les fibres de collagène. Nos résultats préliminaires suggèrent la possibilité de manipuler ces fibres dans un milieu fluide. Cette méthode non invasive présente un potentiel d'applications en ingénierie tissulaire et en recherche biomédicale.

Résumé traduit

Ultrasound techniques have proven to be powerful tools for controlling dispersed immiscible droplets. By carefully shaping the acoustic field, these droplets can be sorted, divided, merged, selectively targeted, and repositioned with precision. Common methods include using standing waves to capture droplets at specific pressure nodes or antinodes, as well as employing traveling waves to move droplets along the path of wave propagation. Recent breakthroughs have led to the development of selective acoustic tweezers, which utilize focused beams or acoustic vortices for the precise manipulation of individual droplets. However, ultrasound-based manipulation has traditionally focused on immiscible fluids. Karlsen, Augustsson, and Bruus [Phys. Rev. Lett. 117, 114504 2016] suggested the possibility of manipulating miscible fluids with selective tweezers. However, their work was purely theoretical and no experimental demonstrations have been achieved so far. Such a demonstration is very challenging because of the weak acoustic contrast between miscible fluids and the diffusion process, progressively blurring the interface.This Ph.D. research experimentally demonstrates the possibility of patterning, trapping, and dislocating high-concentration miscible-fluid blobs (Ficoll) within a lower-concentration medium (water) using selective acoustic tweezers. It delves into the complex interactions between ultrasound waves and miscible fluids, with a particular focus on nonlinear acoustic effects such as acoustic radiation force and acoustic streaming and their influence on fluid behavior at microscales. The experimental setup integrates single-beam acoustical tweezers with microfluidic devices, allowing precise control and manipulation of fluids. The experimental results are compared with numerical simulations, resulting in good agreement between the two.We further explored the manipulation of other objects with low acoustic contrast: collagen fibers. Our preliminary results suggest the possibility of manipulating these fibers within a fluid medium. This noninvasive method has potential implications in tissue engineering and biomedical research.