Une minuscule plateforme crée et dirige des microbulles à la demande
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Les bulles peuvent être des outils précieux pour les robots microscopiques, leur permettant de se déplacer, de se diriger, de créer des flux de liquide et d’accomplir d’autres fonctions. Cependant, les dispositifs basés sur le piégeage des bulles, une approche courante, sont difficiles à manipuler et imprévisibles car les bulles sont complexes à capturer et à contrôler.
« Pourquoi s’acharner à piéger ces bulles ? » s’interroge Itai Cohen , professeur de physique titulaire de la chaire Josephson à la Faculté des arts et des sciences. « Il suffit de les créer où et quand on le souhaite. »
Des chercheurs du laboratoire de Cohen ont mis au point une méthode permettant de créer et de diriger des microbulles à la demande, sans piégeage préalable. Intégré à une puce de 3 millimètres de côté, le dispositif produit des bulles d’hydrogène sur une grille d’électrodes, puis les alimente en énergie acoustique par ultrasons. Les bulles, en résonance sur les électrodes, peuvent agir seules, par paires ou en groupes plus importants pour créer et diriger des flux de fluide.
« Tout est programmable en temps réel », a déclaré Zhiyuan Zhang, chercheur postdoctoral au sein du laboratoire de physique atomique et de l’état solide de l’Institut Kavli de Cornell pour les nanosciences, et premier auteur de la nouvelle étude.
« Grâce à ce réseau de bulles, nous pouvons contrôler en temps réel la taille, le nombre et la position des bulles, et donc programmer la direction du flux », a-t-il déclaré.
Cette technologie est flexible et tolérante : si une bulle dysfonctionne, il suffit de la libérer et d’en former une nouvelle, explique Cohen, ce qui permet un meilleur contrôle de la taille et du positionnement des microbulles. Elle ouvre la voie à des dispositifs microfluidiques reconfigurables qui pourraient être utilisés dans des applications médicales telles que l’administration ultra-ciblée de médicaments.
“Ultrasound-Driven Electronically Programmable Microbubbles” ou « Microbulles programmables électroniquement et activées par ultrasons », article paru le 14 octobre dans Science Advances. Cohen est co-auteur principal avec Zhang.
Dans ses expériences, Zhang a utilisé un dispositif comportant neuf électrodes disposées en carré sur la puce, fabriquée au Cornell NanoScale Science and Technology Facility . Chaque électrode, d’un diamètre de six microns, produit des bulles de 10 à 100 microns ; la taille des bulles peut être déterminante pour son fonctionnement.
Il commence par créer une bulle à l’extrémité d’une électrode en ajoutant des électrons pour dissocier une molécule d’eau, libérant ainsi une bulle de dihydrogène. Plus la tension appliquée est longue, plus la bulle grossit.
Il ajoute ensuite de l’énergie sonore au système ; les ultrasons provoquent la résonance de la ou des bulles. L’oscillation des bulles met en mouvement le fluide environnant.
« La taille de la bulle détermine sa fréquence de résonance », explique Cohen. « Si l’on applique des ultrasons à 40 kilohertz et que la bulle est trop petite ou trop grande, elle n’oscillera pas de manière significative. En revanche, si sa taille est optimale pour entrer en résonance à 40 kilohertz, le flux est important. »
Une seule bulle peut être mise en résonance, et le mouvement de sa surface se transmet au fluide environnant, créant ainsi un écoulement. Deux bulles sur des électrodes voisines peuvent accomplir des fonctions supplémentaires en agissant de concert. Les bulles de même taille résonnent à la même fréquence et créent un écoulement symétrique, explique Zhang. Les bulles de tailles différentes ont des fréquences différentes ; l’une repoussera le fluide plus fortement que l’autre, créant un écoulement dans une direction donnée.
Il est possible de manipuler davantage le flux de manière programmable en plaçant des bulles sur plusieurs électrodes. Par exemple, trois bulles disposées horizontalement créent un flux de gauche à droite. Trois autres bulles disposées en diagonale créent un flux ascendant vers la gauche. Cinq bulles disposées en forme de L dirigent un flux courbe.
Il existe également une fonction de « projection de bulles », a indiqué Zhang. En expérimentant avec la tension nécessaire pour gonfler chaque bulle d’hydrogène, il a découvert qu’une tension plus élevée générait un nuage de bulles à flux rapide. En activant les ultrasons, il peut projeter les bulles dans une direction précise.
Le dispositif transforme le caractère éphémère de la bulle en une opportunité de régénération, explique Cohen : « Si, pour une raison ou une autre, l’une des bulles ne fonctionne pas, il suffit de la gonfler jusqu’à ce qu’elle se détache. Elle disparaît alors et on en construit une autre. »
Les prochaines étapes pourraient consister à concevoir des circuits permettant de créer des bulles grâce à ce mécanisme sur des robots, a indiqué Cohen. Alyosha Molnar, professeure titulaire de la chaire Ida et Charles Lee en génie électrique et informatique à l’École d’ingénierie Duffield de Cornell et co-auteure de l’étude, a contribué à ces travaux et poursuivra la collaboration.
https://news.cornell.edu/stories/2026/10/tiny-platform-creates-and-directs-microbubbles-demand