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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, via des effets thermiques ou à l’aide de surfaces et de tensioactifs photosensibles (effet chromocapillaire).
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Antoine DIGUET : Doctorant au département de chimie de l'École normale supérieure de Paris, UMR 8640
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Arnaud SAINT-JALMES : Docteur - Chargé de recherche au CNRS Institut de physique de Rennes, université Rennes 1 – CNRS – UMR 6251
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Damien BAIGL : Professeur à l'université Pierre et Marie Curie Paris 06, Département de chimie de l'École normale supérieure de Paris, UMR 8640
INTRODUCTION
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).
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).
Lumière, mouvement, tension de surface, effet Marangoni, isomérisation, goutte (~ 6)
Light, motion, surface tension, isomerization, Marangoni effect, drop
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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4. Perspectives et évolutions
4.1 Applications possibles
Ces stratégies de conversion d'énergie lumineuse en mouvement via la modification directe des tensions de surface peuvent trouver des applications dans différents domaines. Elles permettent de déplacer et de mélanger de faibles quantités de liquide sans vanne, pompe, ni canal. En imaginant un système multifaisceaux où chaque rayon contrôlerait indépendamment une goutte, il serait alors possible de manipuler un grand nombre d'objets à la surface d'un liquide, de les diriger et de les combiner à façon. Ce contrôle précis de l'interaction entre nombreux microréacteurs offre, en complément des méthodes microfluidiques existantes, des perspectives importantes en chimie analytique et biochimie.
Grâce à cette méthode, il est aussi possible de déplacer des solvants toxiques non miscibles à l'eau, sans prendre le risque de les faire rentrer en contact avec des surfaces ou des instruments sensibles, ce qui est valable comme nous l'avons vu pour de faibles volumes, comme pour de plus importants. En effet, à condition de disposer de l'équipement optique adapté, cela pourrait être mis en œuvre pour le déplacement des solvants industriels, qu'il vaudrait mieux guider à distance sur un support aqueux, plutôt qu'à travers des conduits sensibles et susceptibles d'être détériorés.
À l'inverse, c'est aussi l'échantillon lui-même qui peut être sensible à une interaction mécanique avec son environnement (contamination par les saletés ou les micro-organismes d'un instrument souillé, convection forcée destructive pour certaines longues molécules comme l'ADN…).
Enfin, de façon analogue aux « soap boat », il est possible d'imaginer un objet solide flottant sur un bain de tensioactif photosensible, qui se déplacerait dans une direction précise, de façon autonome et infinie sous la lumière du soleil. Une moitié du flotteur serait recouverte d'un filtre supprimant les rayons UV, l'autre, d'un filtre coupant la lumière visible tout en étant transparente aux UV. En supposant que la lumière soit assez puissante, les tensions de surfaces au niveau des deux régions seront différentes, entraînant infiniment l'engin du côté de son filtre supprimant le spectre visible.
HAUT DE PAGE4.2 Limites actuelles
Néanmoins,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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).
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(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).
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(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).
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(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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