Une boîte à outils optique pour la microfluidique digitale
Optofluidique active - Mise en mouvement des fluides par la lumière

L’optofluidique fait référence au domaine de la microfluidique, au sein duquel optique et fluides sont couplés pour créer de nouvelles fonctionnalités optiques dans des fluides mis en forme indépendamment , ou inversement, pour actionner des fluides avec de l’optique . Dans le premier cas, on vient soit former une goutte, soit produire une colonne liquide pour focaliser ou guider une lumière passive, et dans l’autre, c’est la lumière qui fabrique sa propre lentille liquide ou son propre guide d’onde de façon active. L’optohydrodynamique correspond à ce dernier cas, où la lumière met les fluides en mouvement, de façon transitoire ou permanente. En effet, les ondes électromagnétiques possèdent une énergie et une quantité de mouvement qui peuvent être échangées avec, ou transférées à, la matière. Il en résulte une contrainte ou une force chaque fois que la quantité de mouvement des photons subit une modification d’amplitude et/ou de direction. Lorsque les photons sont réfléchis et/ou transmis à l’interface séparant deux liquides d’indices de réfraction différents, la conservation de l’impulsion se traduit par l’émergence d’une pression de radiation optique, qui va mettre l’interface en mouvement et la déformer ; la pression de radiation est également un des mécanismes à l’origine du piégeage optique de microparticules solides (pinces optiques, voir [E 4 043]). Un écoulement en volume peut aussi être induit lorsque les photons sont diffusés élastiquement dans le fluide, un mécanisme qui est à l’origine de la lévitation optique. Enfin, les photons peuvent être absorbés par l’un des liquides et réémis à une énergie moindre, déposant ainsi une énergie souvent transformée en chaleur. Il en résulte des gradients de température qui peuvent déclencher de la convection forcée en volume (couplage thermogravitaire lié à la variation de la densité avec la température) ou des contraintes tangentielles aux interfaces (couplage thermocapillaire lié à la variation de tension interfaciale avec la température). Ainsi, au-delà de l’essor considérable qu’a connu le piégeage optique de particules solides, l’extension aux manipulations d’interfaces liquides « molles » et à la génération d’écoulements multiphasiques représente un nouveau domaine d’application des contraintes optiques, particulièrement aux petites échelles accessibles par la focalisation d’un faisceau laser, comme dans les cas d’intérêt des liquides confinés, des interfaces et membranes molles lorsqu’elles sont impliquées, ou des milieux biologiques toujours turbides, voire absorbants, et tous disponibles en faible quantité. Les applications vont de la génération de lentilles adaptatives à la production de fibres optiques liquides auto-adaptées et de gouttes de tailles calibrées, mais aussi vers la caractérisation des propriétés rhéologiques des liquides utilisés, particulièrement aux petites échelles, difficiles d’accès par les moyens classiques. De plus, si les forces optiques résultant de la conservation de la quantité de mouvement devaient demeurer trop faibles (domaine du piconewton, donnant naissance à des écoulements de quelques dizaines de µm/s), une alternative très efficace consiste à basculer sur l’utilisation des forces thermogravitaires et thermocapillaires induites par l’absorption des liquides à la longueur d’onde utilisée et le chauffage local inhomogène qui en découle en

volume (convection thermocapillaire forcée) et en surface (traction thermocapillaire optique). Les contraintes normales et tangentielles résultantes engendrent des écoulements microfluidiques avec des vitesses allant jusqu’au cm/s, qui peuvent être utilisées pour construire une véritable boîte à outils optique pour la manipulation sans contact de jets et de gouttes en microfluidique dite digitale (microfluidique de gouttes). Ainsi, en illustrant quelques manifestations du couplage actif entre optique et fluidique, depuis ses aspects les plus fondamentaux jusqu’à la production d’une boîte à outils pour la microfluidique, cet article participe à l’essor de « puces optiques », ou « total-optical-lab-on-a-chip » rêvées au début des années 2000, au sein desquelles les canaux, les écoulements multiphasiques, leur mise en forme et les fonctionnalités seraient tous ou en partie produits optiquement sur la même puce.