La manipulation sans contact de la matière avec la « pression de radiation » exercée par la lumière est une technique puissante pour l’étude de divers systèmes physiques et biologiques : les « pinces optiques », qui utilisent un faisceau laser focalisé pour tenir et manipuler des micro-objets avec une extrême sensibilité et précision spatiale, ont été célébrées cette année avec l’attribution du prix Nobel de Physique à Ashkin [1]. Elles exercent des forces dans la gamme du pico-newton sur des objets allant d’une centaine de nanomètres à quelques microns, s’imposant ainsi comme un outil fondamental pour étudier les interactions (bio-) moléculaires, les systèmes colloïdaux, les bactéries et cellules biologiques [2]. Malgré ce large champ d’action, l’enjeu majeur reste à étudier des objets volumineux, souvent opaques à la lumière, comme les tissus biologiques, les colonies cellulaires ou encore les bio-films qui imposent d’exercer des contraintes mécaniques beaucoup plus importantes pour être significativement déformés. Cette autre échelle d’interaction reste inatteignable avec des forces optiques qui nécessiterait une puissance optique prohibitive.
Nous avons récemment développé la première « pince acoustique » qui permet de piéger des objets atteignant quelques centaines de micromètres, avec une force dans la gamme du micro-newton, soit 10 000 fois supérieure à celle de son homologue optique [3]. Comparé aux techniques de manipulation existantes qui reposent exclusivement sur des systèmes à ondes acoustiques stationnaires, l’utilisation d’un faisceau ultrasonore progressif est un avantage déterminant pour obtenir un contrôle spatial en 3D et une véritable dextérité de préhension de l’objet unique. De plus, ce nouveau dispositif utilise la pression de radiation d’un faisceau spatialement enrichi, appelé vortex acoustique, qui possède un front d’onde hélicoïdale qui s’enroulent autour de l’axe de propagation, permettant une mise en rotation contrôlée de l’objet piégé [4]. Les étapes importantes qui ont mené à la démonstration de la « pince acoustique » seront présentées ainsi que quelques applications récentes dans un contexte biomédical. Un champ d’investigation, à l’interface de la biophysique et de la physique de la matière molle, pour les matériaux nécessitant des larges déformations dans des milieux sujets à de forts échauffements ou tout simplement opaques à la lumière semble pertinent à l’avenir pour les pinces acoustiques.
[1] A. Ashkin et al., “Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles”, Optics Letters, 11 (5), 1986.
[2] K. Svoboda et al, “Biological applications of optical forces”, Biophysical Journal, 82, 2002.
[3] D. Baresch, J-L. Thomas and R. Marchiano, “Observation of a single-beam gradient force acoustical trap for elastic particles : acoustical tweezers”, Physical Review Letters, 116, 2016.
[4] D. Baresch, J-L. Thomas and R. Marchiano, “Orbital angular momentum transfer to stably trapped elastic particles in acoustical vortex beams”, Physical Review Letters, 121, 2018.
a) Schéma de principe de la pince acoustique utilisant un vortex acoustique (https://physics.aps.org/articles/v9/3).
b) Trois sphères en polystyrène mises en rotation par la pince (échelle 200 μm).
c) Trajectoire d’une bulle de dihydrogène sur l’anneau du vortex acoustique.
