Résultats de simulation d'un surfeur de Marangoni à l'échelle microscopique chevauchant une interface liquide-liquide. Le surfeur a une casquette dorée, représenté en jaune, qui chauffe à cause de la lumière laser, ce qui à son tour induit le « surf » de la particule. La vitesse des particules est dans la direction de la flèche noire et peut atteindre 10'000 longueurs de corps par seconde. Ces vitesses incroyables sont dues à un couplage complexe entre les contraintes de Marangoni induites à la fois par les gradients de température (représentés par les surfaces rouges à bleues) et les gradients de concentration en tensioactif (représentés par la couleur bleu foncé à jaune de l'interface). Crédit :Nick Jaensson
Les surfeurs Marangoni sont de petites particules qui s'autopropulsent en chevauchant une interface fluide-fluide d'une manière similaire à celle dans laquelle un surfeur se déplace à la surface d'une vague. Dans les années récentes, les particules automotrices sont devenues l'objet de nombreuses études de physique, car ils pourraient servir de modèle pour étudier le mouvement d'objets browniens actifs avec une large gamme de vitesses et d'interactions.
Chercheurs de l'ETH Zürich, L'Université Heinrich-Heine de Düsseldorf et l'University College London (UCL) ont récemment réalisé des surfeurs micrométriques actifs de Marangoni en appliquant une lumière laser aux colloïdes de Janus absorbés aux interfaces eau-huile. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , s'appuie sur plusieurs études antérieures explorant l'utilisation de la lumière pour contrôler le mouvement des micronageurs.
"Ce travail est le fruit d'un effort continu pour réaliser des micronageurs plus efficaces et facilement contrôlables, " Lucio Isa et Nick Jaensson, deux des chercheurs qui ont mené l'étude, dit Phys.org. "Nos résultats sont basés sur un corpus de travaux existant qui traite du contrôle du mouvement des micronageurs à l'aide de la lumière et des propriétés des micronageurs confinés aux interfaces fluides, qui comprend certains de nos travaux antérieurs."
Dans l'une de leurs études précédentes, Isa et ses collègues ont découvert que le confinement des particules de Janus aux interfaces huile-eau permettait à ces particules de s'autopropulser via des gradients chimiques autogénérés qui déclenchaient des réactions catalytiques. Cet effet ressemble étroitement à celui souvent observé dans les particules à l'intérieur des suspensions en vrac.
En outre, les chercheurs ont observé que ces particules pouvaient interagir très fortement les unes avec les autres en raison des forces électrostatiques répulsives qui caractérisent les objets piégés dans les interfaces. Alors que cette observation a ouvert de nouvelles possibilités passionnantes pour l'étude des particules actives en interaction forte, les nageurs catalytiques sont connus pour être particulièrement difficiles à contrôler en utilisant des facteurs externes. En effet, leur propulsion dépend de la concentration en carburant chimique, qui est difficile à réguler dynamiquement.
"La solution à ce problème est venue en couplant la génération de gradients de température asymétriques par des particules de Janus absorbant la lumière et l'idée bien connue qu'aux interfaces fluides, ceux-ci génèrent des gradients de tension superficielle et, en conséquence, Des flux de Marangoni qui pourraient être exploités pour propulser les particules via un éclairage contrôlé spatialement et temporellement, ", ont déclaré Isa et Jaensson.
Les surfeurs de Marangoni sont des particules automotrices, ce qui signifie qu'ils peuvent convertir des sources d'énergie externes (par exemple, lumière) en mouvement dirigé en créant et en maintenant une asymétrie dans les propriétés de leur environnement environnant (par exemple, profils de température), générant à son tour des profils de tension superficielle. Le nom Marangoni est associé à l'origine de cette qualité automotrice, qui est médiée par les gradients de tension superficielle et leurs écoulements de fluide correspondants. La manifestation de ces écoulements fluides, qui peut être observé dans plusieurs phénomènes physiques (par exemple, larmes de vin et propulsion de bateaux de camphre), est connu sous le nom d'effet Marangoni.
"Les surfeurs de Marangoni sont importants en physique car ils constituent un nouveau système modèle pour étudier le mouvement actif d'objets microscopiques automoteurs avec une vaste gamme dynamique de vitesses (jusqu'à 10, 000 longueurs de corps par seconde) et des interactions réglables, " Isa et Jaensson ont déclaré. " Ces derniers sont médiés par l'interface fluide, qui les confine également dans un plan à deux dimensions sans la présence de frontières solides. L'étude expérimentale du mouvement collectif des particules actives en l'absence d'agrégation a été un défi pour la communauté et ouvrira la voie à l'étude de matériaux bidimensionnels tels que les cristaux et les verres constitués exclusivement de composants actifs."
Pour réaliser des surfeurs Marangoni à micro-échelle, Est un, Jaensson et leurs collègues ont utilisé une méthode simple qui consiste à revêtir une monocouche de particules (c'est-à-dire, couche de particules étroitement tassée) à l'aide d'un film d'or via une technique connue sous le nom de revêtement par pulvérisation. Ensuite, ils ont confiné les particules à une interface huile-eau en déposant une goutte d'une suspension aqueuse à l'aide d'une micro seringue.
Finalement, les chercheurs ont illuminé les particules à l'aide d'un laser vert. La lumière de ce laser a été absorbée par les calottes d'or de la particule, générer un profil de température asymétrique.
"Le profil de température asymétrique généré par l'adsorption de la calotte en or génère un gradient de tension de surface qui propulse les particules via les flux de Marangoni, " Isa et Jaensson ont déclaré. " En présence d'espèces tensioactives, c'est à dire., tensioactifs, le mouvement des particules est également couplé à un gradient de concentration, qui génère un deuxième profil de tension superficielle. L'équilibre entre les deux régule la propulsion."
Est un, Jaensson et leurs collègues sont parmi les premiers chercheurs à démontrer des particules actives avec une gamme extrêmement large de vitesses de propulsion possibles en exploitant les flux de Marangoni à l'échelle microscopique. De plus, les vitesses de propulsion des particules qu'ils ont créées peuvent être facilement régulées en contrôlant simplement la concentration en tensioactif et l'éclairage.
"Les particules que nous avons démontrées constituent un nouveau système modèle qui pourrait être utilisé pour étudier les propriétés d'une nouvelle classe de matériaux actifs, " ont déclaré Isa et Jaensson. " Nous prévoyons maintenant de prolonger nos études, où nous nous sommes essentiellement concentrés sur la caractérisation du comportement de propulsion d'une particule unique et sur l'élucidation de ses origines microscopiques, au cas du contrôle simultané d'assemblages de surfeurs de Marangoni vers la réalisation de matériaux actifs bidimensionnels."
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