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RÉSUMÉ
La nanofluidique est une miniaturisation ultime des laboratoires sur puces, et correspond au contrôle d'écoulements dans des dispositifs nanométriques. Cet article rappelle d'abord les points forts de la microfluidique, puis présente les spécificités des systèmes nanofluidiques. Leur développement est rendu possible par les progrès récents en nanofabrication, un aperçu est donné des méthodes de réalisation de nanocanaux : lithographie classique, nanostructuration par des voies alternatives, techniques de réplication. Sont ensuite exposés les phénomènes en jeu au sein de nanocanalisations, puis les premières applications avec des puces capables de réaliser des fonctions électroniques, ou de permettre la manipulation fine de biomolécules pour le diagnostic clinique. Enfin, sont données quelques perspectives qui démontrent le fort potentiel applicatif des systèmes nanofluidiques, dans des domaines aussi variés que la biologie, les nanotechnologies, ou l'optique.
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INTRODUCTION
Au cœur de l'essor de la microfluidique, les dispositifs nanofluidiques, repoussant les limites de la miniaturisation avec la manipulation de fluides à des échelles inférieures à une centaine de nanomètres, émergent. Ils constituent de bons systèmes modèles pour améliorer notre compréhension fondamentale (nano-hydrodynamique, confinement de biomolécules), mais sont aussi une source très prometteuse d'applications potentielles dans les domaines des nanotechnologies, de la chimie analytique, voire de l'optique.
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Applications : des promesses dans de nombreux domaines
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3. Phénomènes en jeu
3.1 Transport hydrodynamique en nanocanaux
Les écoulements de fluides en microfluidique ont déjà des particularités par rapport à ceux au sein de systèmes non miniaturisés : les écoulements y sont laminaires, les rapports surface/volume importants, les transferts de chaleurs rapides. Le passage à des nanocanaux amplifie ces effets, et amène également des questions et des phénomènes nouveaux : les lois macroscopiques de l'hydrodynamique sont-elles valables dans un canal d'une vingtaine de nanomètres de profondeur ? Deux classes d'expériences peuvent fournir des éléments de réponse.
Les écoulements sont laminaires en nanofluidique, puisque le nombre de Reynolds Re = ρhν /η (ρ est la masse volumique du fluide), qui dépend linéairement de la taille des canaux, est petit devant l'unité. Il n'y a donc pas de turbulence, et les écoulements sont dominés par les forces visqueuses (régime de Poiseuille).
3.1.1 Remplissage de canaux par capillarité
La première expérience nanofluidique est le remplissage spontané d'un canal. La capillarité, responsable de l'invasion du liquide, traduit l'excès d'énergie des molécules liquides placées en surface, qui ont un nombre de molécules voisines plus faible qu'en volume. Ces phénomènes sont quantifiés par la tension superficielle du fluide γ, qui représente son énergie par unité de surface.
Pour un couple liquide/solide, il faut ajouter l'angle de contact q, angle de repos d'une goutte de liquide de petite taille posée sur le solide. q peut être vu comme caractérisant l'affinité du liquide avec le solide : pour de l'eau par exemple, un solide est hydrophile si q est proche de 0 (on parle de mouillage total), hydrophobe si q dépasse 90o .
De tels effets, surfaciques par essence, sont exaltés lors de la réduction des échelles et deviennent capitaux en nanofluidique: pour un système de taille typique h, le rapport surface-volume varie comme 1/h.
Pour un canal macroscopique de hauteur h, et de largeur grande devant h, l'hydrodynamique prédit un remplissage par capillarité au cours du temps t selon la loi suivante :
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Phénomènes en jeu
BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXES
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