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Détecter le picolitre pour la mesure directe de débit liquide en nanofluidique

publié le

Nos collègues viennent de mettre au point un capteur simple pour la mesure d’infimes débits liquides. Ce capteur, qui repose sur une accumulation de liquide au sein d’une membrane déformable, a été spécialement développé pour l’étude d’écoulements nanofluidiques. En particulier, ce capteur va permettre de caractériser les phénomènes de transport couplés au sein d’un nanopore. Ces phénomènes partiellement compris sont d’intérêt notamment pour le traitement de l’eau ou la conversion d’énergie.

Les écoulements et les phénomènes de transport en milieu confiné présentent des propriétés spécifiques engendrées par des effets de surface prépondérant par rapport aux effets de volume. L’essor de ce qu’on appelle aujourd’hui, la nanofluidique, repose notamment sur le développement d’instruments pour caractériser les quantités physiques couplées aux phénomènes de transport au voisinage d’interface ou au sein de confinements nanométriques. Les écoulements présentent un caractère central dans ce domaine, néanmoins la mesure de débit pour ne pas parler de vitesse, reste notoirement difficile aux échelles considérées. Alors que la caractérisation du courant électrique induit par le transport d’ions au travers d’un nanopore unique est devenue une mesure de routine il s’avère que pour le débit, les performances du meilleur appareil commercial disponible à ce jour sont insuffisantes de plus de trois ordres de grandeur par rapport au débit typique attendu de l’ordre de quelque 10 pL/min. Plusieurs approches, indirectes, existent pour la mesure de débits au sein d’un nanocanal ou d’un nanotube, mais elles ne sont utilisables que dans des configurations spécifiques. Afin de proposer une approche générique, les chercheurs sont revenus à la méthode historique de mesure directe de débit, fondée sur l’accumulation d’une quantité de liquide pendant une certain laps de temps. Pour pouvoir réaliser la mesure sur une durée de seulement quelques minutes, la difficulté est de parvenir à détecter une quantité infime de liquide. Pour ce faire, le liquide est accumulé via la déflection d’une membrane de silicium de quelque mm de côté et de 10 microns d’épaisseur. En s’appuyant sur le savoir faire développé pour la réalisation de capteur de pression, la déflection est directement mesurée à l’aide de jauges de déformations déposées sur la membrane. La sensibilité d’une telle mesure permet de détecter un déplacement nanométrique de la membrane qui correspond à une variation de volume de l’ordre du pL. Il est ainsi possible de mesurer des débits avec un seuil de détection de l’ordre du pL/min pour un temps d’intégration de quelques minutes (voir Fig. 1). Les dimensions de la membrane permettent par ailleurs une connexion aisée à tout élément macroscopique comprenant le dispositif nanofluidique d’intérêt. Le capteur de débit ainsi réalisé a été qualifié en utilisant des capillaires micrométriques calibrés. L’utilisation du capteur a également été illustré en caractérisant le débit au travers d’un nanopore unique de 200 nm de rayon et 1 micron de long. Ce type de capteur peut être employé avec n’importe quel liquide. La mesure s’affranchit de l’utilisation de tout traceur. La gamme de mesure s’étend sur trois ordres de grandeur de 1 pL/min à 1 nL/min. Ce capteur a fait l’objet d’un dépôt de brevet.


Ces travaux ont été menés au LIPhy en collaboration avec l’Institut Néel et le Leti-Cea.

Voir en ligne : A Direct Sensor to Measure Minute Liquid Flow Rates, P. Sharma, J.-F. Motte, F. Fournel, B. Cross, E. Charlaix, and C. Picard, Nano Letters, 2018