Cristal phononique tubulaire pour l’analyse (bio)chimique en phase liquide – Tubular Bell

Le projet vise à concevoir une nouvelle classe de cristaux phononiques, les cristaux phononiques tubulaires (TPC) et à développer une sonde tubulaire phononique, la « cloche tubulaire ». Il s’agit d’un concept de capteur fondamentalement nouveau pour l’inspection en ligne de liquides dans des structures cylindriques comme des tuyaux (chimie) ou des vaisseaux (médecine). Sur le plan fondamental, le défi réside dans la formulation et la description physique des cristaux phononiques créés par un changement radical de la géométrie du réseau depuis une structure 2D ou 3D ne présentant qu’une symétrie de translation vers une structure 3D cylindrique présentant à la fois des symétries de translation et de rotation. Sur le plan des applications, le défi réside dans le changement radical des capteurs chimiques, qui toujours mesurent une grandeur physique à leur l'interface avec l’analyte, vers une nouvelle classe de capteurs qui détermineront les propriétés volumétriques de l’analyte. Ce nouveau concept sera entièrement exploré en considérant les interactions entre des champs acoustiques dans le liquide et élastiques dans le solide. Les ondes acoustiques seront taillées de manière à perturber les sous-volumes de liquides dans les conduites en révélant leurs propriétés physiques. Le projet produira une plate-forme pour la détermination des propriétés volumétriques des liquides et des mélanges grâce à un accès fondamentalement nouveau aux phénomènes chimiques ou biomédicaux dont ils sont le siège.
Ces objectifs seront atteints en suivant quatre lignes de recherche:
1. Développement de cristaux phononiques tubulaires, une classe de cylindres élastiques à structure périodique pour la propagation des ondes le long de l'axe de révolution. Les TPC constitueront une toute nouvelle famille de dispositifs ayant des géométries non considérées jusqu'ici dans la littérature.
2. Recherche de structures artificielles avancées pour localiser l'énergie acoustique dans de petites régions liquides résonantes. Cette partie comprend l'interaction entre les champs acoustique et élastique aux échelles macroscopique et microscopique.
3. Développement de la cloche tubulaire comme nouvelle classe de capteur acoustique. Les résonateurs phononiques seront analysés, en considérant la transduction des propriétés d'un analyte, à savoir la vitesse du son et la densité massique ainsi que la viscosité et autres causes de dissipation, dans les propriétés acoustiques du TPC, notamment la fréquence de résonance et la bande passante.
4. Réalisation de prototypes TPC et d’une cloche tubulaire pour apporter la preuve expérimentale des théories qui seront développées et comme démonstrateur du nouveau concept de capteur.
La résolution de fréquence visée est de 10-5 f0, et la résolution de la vitesse du son <0,05 m / s.
Le projet nécessite un travail interdisciplinaire entre la physique de l'état solide, la science des matériaux, la micro-fabrication et la métrologie. Les étapes importantes du projet sont les suivantes:
(i) Démonstration de bandes interdites phononiques dans des structures tubulaires remplies de liquide.
(ii) L’excitation, la propagation et la détection des ondes acoustiques dans les structures tubulaires ainsi que le couplage aux modes de résonance seront explorés et optimisés.
(iii) La relation entre les valeurs acoustiques et les propriétés physiques du matériau constituant le cristal phononique tubulaire d’une part et la composition des mélanges liquides d’autre part sera établie afin de transposer les mesures physiques dans un effet de capteur.