Lundi 12 Novembre 2007

Nanotechnologies fluidiques

Patrick Tabeling
Annick Marin
Pascaline Mary
Fabrice Monti

ESPCI

On a fait, ces dernières années, des progrès considérables dans le domaine de la miniaturisation. Il est possible maintenant de miniaturiser toutes sortes de systèmes, mécaniques, fluidiques, électromécaniques ou thermiques, jusqu’à des tailles inférieures au micron. Dix microns, c’est le dixième du diamètre d’un cheveu; c’est la taille des systèmes dont nous allons parler au cours de la conférence.

Faisons un peu d’histoire: Grâce aux progrès dans la miniaturisation, nous avons pu voir, dans les années 80, l’émergence d’un nouveau domaine, celui des MEMS (qui signifie ``Micro Electro Mechanical Systems'').

Fig.1 Microengrenage, la taille doit être comparée à celle d'une tête de fourmi.

La figure 1 montre un exemple de MEMS, avec une fourmi comme présentatrice – il s’agit d’un microengrenage -. Plus tard, dans les années 90, ce domaine s'est considérablement diversifié. On a fabriqué des systèmes miniaturisés pour la chimie et la biologie, avec de multiples applications dans le domaine biomédical et l'analyse chimique. Comme ces systèmes mettent en œuvre des écoulements de fluides dans des conditions inhabituelles, est naturellement apparue la nécessité de construire un nouveau domaine – les nanotechnologies fluidiques - qui constitue le sujet central de la conférence. On peut définir les nanotechnologies fluidiques (on dit plus souvent la “microfluidique”) comme la science des écoulements de fluides dans des microsystèmes artificiels, c'est à dire fabriqués a partir des nouvelles technologies. Il s'agit d'une définition d'ingénieur, qui est généralement acceptée et comprise, et que nous adopterons ici.

Sans doute, encore aujourd’hui, le système microfluidique qui connaît le plus grand succès commercial est la tête d’imprimante à jet d’encre, représenté sur la Figure 2. Les gouttes formées par ce système miniaturisé font quelques dizaines de micromètres. Ces gouttes s’écrasent sur le papier, formant une petite tache qui s’assemble avec d’autres pour former des lettres. On peut dire qu’aujourd’hui des milliards de documents sont imprimés grâce aux nanotechnologies fluidiques.

Fig.2 Gouttes sortant d'une
tête d’imprimante à jet d’encre.

Fig. 3, Médecin utilisant une puce pour diagnostiquer des crises cardiaques.

Mais bien sur, le domaine biomédical est celui où la microfluidique est appelée à rendre d’énormes services. Nous y verrons, dans l’avenir, des puces – aussi grandes qu’une carte de crédit – sur lesquelles seront effectués de multiples manipulations de fluides, et qui délivreront, en une minute ou deux, des résultats d’analyse complexes, là où les approches traditionnelles nécessitaient une ou deux journées. Sur la Figure 3, on voit un médecin utiliser une puce diagnostiquant des crises cardiaques en quelques minutes alors que les tests traditionnels nécessitaient 24h, ce qui plongeait le patient dans une affreuse angoisse. La société Abbott vend déjà des millions de puces offrant des analyses de sang ultrarapides, très utiles en milieu hospitalier.

Nous verrons prochainement dans les postes américaines des appareils curieux comme celui de la Figure 4, destinés non pas à trier le courrier, mais à détecter l’ANTHRAX sur les enveloppes: ici aussi, le diagnostic utilise la microfluidique. Et la Figure 5 représente un exemple de ces puces, destinée ici à “trier” l’ADN très rapidement.

Fig. 5 Exemple de puce destiné à "trier" très rapidement l'ADN.

Les nanotechnologies fluidiques révolutionneront notre vie quotidienne en affectant de nombreux domaines: alimentaire, pétrolier, pharmaceutique, informatique. La conférence donnera de nombreux exemples, et expliquera comment les fluides parviennent à circuler dans des labyrinthes inextricables de microcanaux.

Fig. 4 Appareil destiné à détecter
l’ANTHRAX sur les enveloppes.