Vannes pour particules minuscules

Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé de minuscules valves qui permettent de séparer et de trier des nanoparticules individuelles dans des liquides. Ces valves conviennent à une énorme palette de particules minuscules, dont des nanoparticules individuelles de métal ou de semi-conducteurs, des particules virales, des liposomes ou des biomolécules plus grandes comme des anticorps.

Les nanovalves fonctionnent différemment des valves classiques, qui permettent de fermer et d'ouvrir mécaniquement une conduite comme un robinet. "De telles vannes mécaniques peuvent certes être miniaturisées, mais pas à volonté", explique le professeur Poulikakos de l'ETH. "Si les conduites sont plus fines que quelques dizaines de micromètres, elles ne peuvent pas être fermées et ouvertes mécaniquement".

Goulot d'étranglement avec électrodes

Pour pouvoir ouvrir et fermer à volonté des conduites environ cent fois plus fines, les scientifiques de l'ETH ont eu recours à des forces électriques. Les chercheurs ont travaillé avec des conduites gravées dans une puce de silicium, dont le diamètre n'était que de 300 à 500 nanomètres. Cela représente moins d'un centième du diamètre d'un cheveu humain. Ils ont construit des nanovalves dans ces conduits en les rétrécissant légèrement par nanolithographie et en plaçant une électrode de chaque côté du rétrécissement.

Les nanoparticules dans l'eau pure ne peuvent pas passer le goulot d'étranglement comme ça. Pour elles, la vanne est fermée à l'état de base. En activant les électrodes d'une certaine manière, le champ électrique change au niveau du passage étroit. Cela a pour conséquence qu'une force agit sur les nanoparticules présentes, qui poussent les particules à travers le passage étroit - la vanne peut ainsi être ouverte.

Les nanoparticules dans une solution saline se comportent en revanche différemment : elles peuvent passer le point d'étranglement à l'état fondamental - la vanne est ouverte pour elles. Comme les scientifiques ont pu le montrer, ces particules peuvent toutefois être retenues en appliquant habilement des champs de courant alternatif sur les électrodes. De cette manière, il est par exemple possible de manipuler des particules biologiques telles que des virus, des liposomes ou des anticorps, qui se trouvent normalement dans des liquides salins, aussi bien naturellement qu'en laboratoire.

Dompter les tremblements des nanoparticules

"Il est en principe difficile d'étudier des nanoparticules individuelles dans un liquide, car le mouvement moléculaire brownien agit à l'échelle nanométrique", explique Hadi Eghlidi, Senior Scientist dans le groupe de Poulikakos. Les petites particules ne restent pas immobiles, mais tremblent constamment, avec une amplitude de mouvement qui est un multiple de leur diamètre. "Entre deux ou plusieurs valves, nous pouvons toutefois retenir les molécules dans un espace restreint, et les étudier ainsi au microscope par exemple".

Dans le cadre d'une démonstration de faisabilité, les scientifiques ont créé sur une puce de silicium un sas de séparation et de tri avec une bifurcation et trois valves (voir image ci-dessus). Au niveau de l'embranchement, une seule nanoparticule peut être retenue et examinée. Il est ensuite possible de contrôler les vannes de manière à ce que la particule quitte le système par l'une des deux conduites de sortie. Les nanoparticules dans un liquide peuvent ainsi être triées en deux classes. En collaboration avec des collègues de l'Université de Zurich, les chercheurs de l'ETH ont même réussi à manipuler avec ce système de minuscules nanoparticules semi-conductrices (appelées points quantiques) ainsi que des anticorps - tous deux d'un diamètre de 10 nanomètres seulement.

Applications de laboratoire sur puce

Comme le soulignent les scientifiques, il est en principe possible de disposer sur une puce de silicium un système de nanoconduites aussi complexe que l'on veut avec autant de vannes contrôlables que l'on veut. "Au moyen d'un réglage fin du champ électrique au niveau des électrodes, il pourrait même être possible à l'avenir d'utiliser les valves comme des filtres laissant passer les particules ayant certaines propriétés physiques, mais pas les autres", explique Christian Höller, doctorant dans le groupe de Poulikakos.

Les scientifiques souhaitent à présent développer cette technique en collaboration avec des partenaires, afin qu'elle soit prête pour des applications dans la recherche. Elle permettrait par exemple de trier des particules sur une petite puce, ce qui serait intéressant pour la science et l'ingénierie des matériaux ou la biomédecine. On pourrait aussi imaginer des applications pour séparer des particules synthétiques ou biologiques, par exemple pour les examiner au microscope ou pour analyser l'influence de substances pharmaceutiques sur elles.