Les jets fluides nous entourent :de l'impression jet d'encre, au geyser "Old Faithful" dans le parc national de Yellowstone, aux jets cosmologiques de plusieurs milliers d'années-lumière.

Un chercheur de l'Université Northwestern avec des collaborateurs de l'Université de Cambridge, L'université d'Oxford, et Centro Nacional de Biotecnología ont récemment vérifié la théorie classique de Landau-Squire dans le plus petit jet submergé. Le diamètre de leurs jets était de l'ordre de 20 à 150 nanomètres, c'est-à-dire la longueur de quelques centaines de molécules d'eau alignées.

"Le débit de ce nanojet est de l'ordre de quelques dizaines de pico litres par seconde, " a déclaré Sandip Ghosal, professeur agrégé de génie mécanique et (par courtoisie) de sciences de l'ingénieur et de mathématiques appliquées à la McCormick School of Engineering and Applied Science de Northwestern. "À ce niveau là, si vous aviez commencé à remplir une bouteille de soda de deux litres au moment de la construction de la première pyramide en Egypte, la bouteille serait à moitié pleine maintenant."

Un article décrivant la recherche, "Un nanojet Landau-Squire, " a été publié le 14 octobre dans la revue Lettres nano .

Le nanojet est conçu autour d'un verre "nano capillaire, " que les chercheurs ont fabriqué en chauffant un capillaire en verre ordinaire - un tube de verre creux - avec un laser et en le tirant doucement jusqu'à ce qu'il se brise, créer une pointe fine. Les chercheurs ont appliqué une tension électrique à travers le capillaire, qui a été immergé dans une solution saline pour créer un flux électro-osmotique qui a ensuite émergé sous forme de jet.

Pour mesurer le jet stream, les chercheurs ont construit un petit anémomètre, un appareil semblable à un moulin à vent utilisé pour mesurer la vitesse du vent, à partir d'une bille de polystyrène inférieure à un cinquantième de la largeur d'un cheveu humain. La bille était maintenue en place par un "piège optique, " un faisceau laser finement focalisé qui servait d'axe au minuscule anémomètre. Lorsque la bille était positionnée devant le jet, ça a tourné en rond, et une caméra vidéo a capté de minuscules fluctuations de lumière à partir d'une fossette sur la perle.

La nouvelle technique d'anémométrie a permis aux chercheurs de cartographier les champs de vorticité et de vitesse du nanojet et de les comparer à ceux prédits par la solution classique de Landau-Squire des équations de Navier-Stokes, les équations vieilles de 200 ans qui forment le socle de la physique classique. Leurs observations se sont avérées en accord remarquable avec la théorie.

« Les équations de Navier-Stokes et tout ce qui en découle devraient mal tourner à l'approche des échelles moléculaires, mais personne ne sait jusqu'où on peut pousser avant qu'il ne se brise, " a déclaré Ghosal. "Nous avons constaté que cela fonctionne très bien jusqu'à des dizaines de nanomètres."

Les chercheurs ont également observé un phénomène qu'ils appellent la rectification de flux :une asymétrie du débit par rapport à l'inversion de tension. Ils ont découvert que lorsque la tension est inversée, le capillaire aspire le liquide comme prévu, mais à un taux beaucoup plus bas. Le capillaire se comporte ainsi comme une diode semi-conductrice - une "valve" électronique qui permet le passage du courant dans un seul sens - mais avec un fluide circulant à la place des électrons.

Le nanojet a un certain nombre d'applications nouvelles potentielles. Une utilisation possible est en tant qu'injecteur à ultra-faible volume pour transférer des biomolécules dans des cellules ou des vésicules, un processus utilisé dans les technologies de l'ADN recombinant important dans la production d'insuline humaine et de cultures résistantes aux maladies. D'autres possibilités incluent l'utilisation comme « redresseur de flux » dans les circuits logiques microfluidiques, l'équivalent fonctionnel des diodes semi-conductrices en microélectronique, ainsi que dans des applications impliquant la structuration à l'échelle nanométrique et la micromanipulation.