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Article

1 - CONTEXTE

2 - ASPECTS FONDAMENTAUX DE LA CAPILLARITÉ

3 - MOUVEMENTS INDUITS PAR EFFETS CAPILLAIRES

4 - PERSPECTIVES ET ÉVOLUTIONS

  • 4.1 - Applications possibles
  • 4.2 - Limites actuelles

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : IN123 v1

Contexte
Conversion d'énergie lumineuse en travail mécanique par chromocapillarité

Auteur(s) : Antoine DIGUET, Arnaud SAINT-JALMES, Damien BAIGL

Date de publication : 10 janv. 2011

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Auteur(s)

  • Antoine DIGUET : Doctorant au département de chimie de l'École normale supérieure de Paris, UMR 8640

  • Arnaud SAINT-JALMES : Docteur - Chargé de recherche au CNRS Institut de physique de Rennes, université Rennes 1 – CNRS – UMR 6251

  • Damien BAIGL : Professeur à l'université Pierre et Marie Curie Paris 06, Département de chimie de l'École normale supérieure de Paris, UMR 8640

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INTRODUCTION

Résumé :

La conversion de l'énergie lumineuse en énergie mécanique est une question importante aussi bien pour le développement de véhicules propres que pour agir sélectivement sur des systèmes micro- et macroscopique sans contact mécanique. Les technologies actuelles comportent toujours des intermédiaires de stockage, de transport ou de transformation. S'en passer est un enjeu en termes de taille, de simplicité et de coût du système. La principale stratégie existante pour une conversion minimisant le nombre d'étapes intermédiaires consiste à modifier les tensions de surface entre l'objet et son environnement. Il se trouve qu'à la surface d'un liquide, la création de gradient de tension de surface induit des flux de matière (effet Marangoni) capables de mettre en mouvement des systèmes liquides ou solides. Ces flux peuvent en particulier être créés et contrôlés grâce à la lumière, soit via des effets thermiques, soit à l'aide de surfaces et de tensioactifs photosensibles (effet chromocapillaire).

Abstract :

The conversion of light energy into mechanical energy is an important challenge for the development of clean vehicles as well as for the non contacting selective actuation on macro and microscopic systems. Current technologies involve intermediates for storage, transport and transformation. Performing this conversion without intermediate is interesting in terms of size, simplicity and system cost. The main existing strategy for a most direct conversion consists in the modification of surface tension between the object and its environment. It turns out that the creation of a surface tension gradient at the liquid surface induces matter flows (Marangoni effect) able to move liquid or solid systems. In particular, these flows can be generated and controlled by light, through thermal effects or by using photosensitive surfaces and surfactants (chromocapillary effect).

Mots-clés :

Lumière, mouvement, tension de surface, effet Marangoni, isomérisation, goutte (~ 6)

Keywords :

Light, motion, surface tension, isomerization, Marangoni effect, drop

Points clés

Domaine : Sciences fondamentales, énergie, chimie de surface

Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité

Technologies impliquées : Surfaces photosensibles, tensioactifs

Domaines d'application : Conversion de l'énergie lumineuse, déplacement d'objets sans contact

Principaux acteurs français : Limité au domaine académique

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in123


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1. Contexte

Les photons d'un rayon lumineux possèdent à la fois un moment cinétique et une énergie. Convertir la lumière en travail mécanique est possible, par échange aussi bien de moment que d'énergie. Le transfert du moment cinétique, qui se caractérise par une pression de radiation, n'est exploité que par quelques systèmes particuliers (principalement, les voiles solaires et les pinces optiques). Le rendement de ce type de conversion reste en effet faible et c'est surtout à travers le transfert de l'énergie lumineuse qu'un échange efficace peut exister et être véritablement exploité. Cela a d'abord été utilisé empiriquement puis, depuis le début du XXe siècle, compris et progressivement appliqué dans la conversion de rayonnements en énergie thermique, électrique, chimique et électrochimique, en particulier dans l'utilisation des cellules photovoltaïques, des batteries ou des biocarburants. Toutes ces énergies étant convertibles en énergie mécanique, il existe de nombreuses possibilités pour obtenir un mouvement à partir de la lumière.

Néanmoins, la plupart des méthodes mentionnées ci-dessus sont basées sur des processus multi-étapes où l'énergie est convertie indirectement sous plusieurs formes, ce qui diminue les rendements et augmente la complexité des appareils. Même si les technologies ne cessent d'être plus performantes dans la production, le transport et l'emmagasinement de l'énergie, se passer de support de stockage et d'intermédiaire électrique est un enjeu important en termes de volume, de simplicité, d'indépendance du système et de coût. C'est pourquoi, la transformation la plus directe de la lumière en travail mécanique représente à la fois une voie de conversion peu explorée, ainsi qu'un sujet aux applications technologiques immédiates. Les progrès continus de l'optique permettent aujourd'hui de disposer de stimuli lumineux avec un contrôle précis sur leur intensité, leur position, leur aire d'excitation, ainsi que sur leur dynamique spatiale et temporelle. La longueur d'onde est aussi un autre paramètre qu'il est possible de modifier pour être sélectif entre les molécules à exciter (sondes fluorescentes, réactions photoinduites...) et celles qui ne doivent pas interagir (tissus biologiques, solvant...) pour que le stimulus reste dans la mesure du possible non destructif.

La volonté de réduire le système à déplacer à son minimum en termes...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DE GENNES (P.-G.), BROCHARD-WYART (F.), QUERE (D.) -   Gouttes, bulles, perles et ondes.  -  Collection Echelles, ISBN 2-7011-3024-7, Belin, 255 p. (2005).

  • (2) - CANTAT (I.), COHEN-ADDAD (S.), ELIAS (F.), GRANER (F.), HOHLER (R.), PITOIS (O.), ROUYER (F.), SAINT-JALMES (A.) -   Les mousses : structure et dynamique.  -  Collection Echelles, ISBN 978-2-7011-4284-5, Belin, 288 p. (2010).

  • (3) - YOUNG (N.O.), GOLDSTEIN (J.S.), BLOCK (M.J.) -   The motion of bubbles in a vertical temperature gradient.  -  J. Fluid. Mech., 6, no 3, p. 350-356 (1959).

  • (4) - BRZOSKA (J.-B.), BROCHARD-WYART (F.), RONDELEZ (F.) -   Motions of droplets on hydrophobic model surfaces induced by thermal gradients.  -  Langmuir, 9, no 8, p. 2220-2224 (1993).

  • (5) - RYBALKO (S.), MAGOME (N.), YOSHIKAWA (K.) -   Forward and backward laser-guided motion of an oil droplet.  -  Phys. Rev. E, 70, no 4, p. 046301 1-4 (2004)

  • ...

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