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Theses Year : 2013

Manipulation of biomimetic objects in acoustic levitation

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Abstract

Levitation is a promising tool for contactless guiding and non-toxic manipulation. Acoustic levitation by ultrasonic standing waves (USW) allows micron-scale particle manipulation in acoustic resonators. The main goal of this thesis is to explore the possibilities given by the acoustic levitation for manipulating rigid and elastic particles, cells and even bacteria. Therefore we designed and built all the resonators we used and developed new methodologies we shall show in this experimental work. According to the particles nature, their displacement towards the node or the antinode is given by the interaction with the primary force. The position where particles move is a point where the acoustic and the gravitational forces are balanced. At the levitation plane, the first stage of the aggregation process is given by inter particles interactions known as the secondary Bjerknes force. We introduced a methodology for measuring this short range force. In addition, we measured this force in microgravity conditions. Usually, we dealt with hundreds or thousands of micron-size particles leading 3D aggregates. We introduce pulse mode acoustics, where we can generate homogeneous structures, 2D aggregates. However, when species smaller than 1µm particle manipulation is challenging due the complex influence of the acoustic streaming. Pulse mode acoustics can reduce or control the acoustic streaming leading applications to sub-micron size particles, bacteria and catalytic micro rods. A mixture of 7-12µm particles was separated in the s-SPLITT device. However the combination of hydrodynamic and the programmed acoustic of HACS device, improved the purity of the separation.
La lévitation acoustique par des ondes stationnaires ultrasonores (USW), permettent la manipulation des objets micrométriques. L'objectif principal de cette thèse est d'explorer les possibilités offertes par la lévitation acoustique pour manipuler des particules, des cellules et même des bactéries. Nous avons conçu et construit tous les résonateurs et nous avons développé les méthodologies que nous allons montrer dans ce travail expérimental. Selon la nature des particules, leur déplacement est donné par son interaction avec la force acoustique primaire. La position où les particules se déplacent est le point dont les forces acoustique et gravitationnel sont équilibrées. Dans le plan de lévitation, les interactions connues comme force secondaire de Bjerknes est la première étape du processus d'agrégation. Nous présentons une méthodologie pour mesurer cette force. Nous avons mesuré cette force en conditions de micropesanteur. Dans nous résonateurs, nous travaillons avec un grand nombre des particules dont les agrégats sont 3D. Nous introduisons le mode acoustique pulsé que nous permet générer des agrégats 2D. Lorsque les particules deviennent plus petites de 1µm, sa manipulation est difficile en raison de l'influence de l'acoustic streaming qui modifie le comportement des particules. Le mode acoustique pulsé permet de réduire ou de contrôler l'acoustic streaming que nous permet manipuler des particules de taille submicronique, des bactéries et des micro-cylindres catalytiques. Une séparation a été faite par un mélange des particules de 7-12µm dans le dispositif s-SPLITT. Néanmoins la combinaison de forces hydrodynamique et acoustique (HACS) a permis améliorer la séparation.
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Dates and versions

pastel-00938546 , version 1 (29-01-2014)

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  • HAL Id : pastel-00938546 , version 1

Cite

Angelica Castro. Manipulation of biomimetic objects in acoustic levitation. Acoustics [physics.class-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00938546⟩
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