Capteur nanomécanique de flux

Nanoscale flow sensor

• Auteur / Autrice : Benjamin Lecarlate Fernandez
• Direction : François Henn
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe de Recherche Nanostructures et Spectroscopies

Mots clés

Mots clés libres

Resonateur mecanique

Hydrodynamique

Confinement

Capteur

Nanotube de carbone

Eau

Hydrodynamics

Confinement

Sensor

Water

Carbon nanotubes

Mechanical resonator

Résumé

On trouve des écoulements « nano » dans de nombreux domaines. En biologie, on les retrouve au sein des canaux biologiques, notamment des aquaporines qui permettent l'echange d'eau entre les milieux intra et extra-cellulaires, tandis que dans les systèmes artificiels ils sont par exemple au cœur des membranes de nanofiltration. A l'échelle « macro », les fluides sont traités comme un milieu continu et les écoulements sont très bien décrits par les équations de Navier-Stokes. Cependant, lorsque l'on travaille à l'échelle « nano », c'est-à-dire en nanofluidique, cette description continue des fluides n'est plus valable [Bocquet2010]. Récemment un genre nouveau de nanocanal s'est imposé pour l'étude des fluides nano : le nanotube de carbone, puisque l'eau confinée dans ces nanotubes se comporte de manière contre-intuitive. Cependant, l'absence de technique de mesure suffisamment sensible freine notre compréhension des phénomènes qui se déroulent à cette échelle : les flux y sont extrêmement faibles, de l'ordre du fL.s-1 (10-15L.s-1), soit plusieurs ordres de grandeur plus petits que la sensibilité des systèmes de mesure commerciaux. De plus, l'eau neutre qui ne contient que trop peu d'ions libres ne peut être étudiée par les techniques conventionnelles de l'électro-osmose. Il est donc nécessaire d'imaginer une méthode originale, extrêmement sensible, pour faire progresser notre connaissance des fluides, i.e. leur structure et leur dynamique, en condition de confinement extreme. Les oscillateurs mécaniques à nanotube de carbone sont probablement les résonateurs les plus légers au monde. Du fait de leur faible masse, ils sont en mesure de détecter des masses aussi petites qu'un seul proton [Chaste2012]. Ils sont donc parfaitement adaptés à l'etude des écoulements de fluides à l'échelle nano, avec une sensibilité de l'ordre de la molécule unique. Récemment, notre équipe a développé une technologie microfluidique compatible avec le vide [Pashayev2024] et capable d'injecter un liquide ou un gaz dans un nanotube de carbone isolé . Nous avons également démontré que les résonateurs à nanotube conservaient une sensibilité exceptionnelle à température ambiante [Basset2024].

Nanoscale flows are ubiquitous; in nature they are found in Aquaporins, as well as in artificial systems such as water filters. At the ‘macro' scale, fluids are considered continuous and accurately described by the Navier-Stokes equations. But when going down to the nanoscale, namely in the field of nanofluidics, the continuum description should breakdown [Bocquet2010]. Recently a new class of nanochannels have emerged for the experimental study of nanoscale flows: carbon nanotubes. Indeed, water shows a counter-intuitive behavior when confined inside a carbon nanotube. The lack of sensitive techniques has hindered the field of nanofluidics. A this scale flows can be as low as a few fL.s-1 several orders of magnitude smaller than the resolution of commercial tools. In addition, water are neutral particles and cannot be detected electrically by e.g. electro-osmotic measurements There is a need for an original, sensitive methodology to overcome this limitation. Carbon nanotube mechanical oscillator are probably the lightest possible resonators. Thanks to their low intrinsic mass, they can detect added masses in the range of a single proton [Chaste2012]. They are perfectly suited for the study of nanoscale fluid flows, with molecular resolution. Recently, our team has developed a microfluidic technology to work in vacuum [Pashayev2024]. We have also demonstrated that nanotube resonators keep their exquisite sensitivity at ambient temperature [Basset2024].