Effets thermoélectriques à l’échelle nano – Hotspot

Il est apparu clairement ces dernières années que les forces d'origine thermique agissant sur les suspensions colloïdales sont dues essentiellement à des effets thermoélectriques. En volume, le champ thermoélectrique (ou champ Seebeck) est proportionnel au gradient de température, son signe et son amplitude dépendant de la composition de l'électrolyte. Plusieurs expériences menées récemment sur les suspensions colloïdales soumises à un gradient de température trouvent ainsi leur explication dans le cadre de l'effet Seebeck. Cependant, les possibilités que laissent entrevoir les effets thermoélectriques en solution sont encore largement sous-exploitées.

Ainsi, les effets thermoélectriques peuvent s'avérer extrêmement pertinents pour les applications en microfuidique ou dans les biotechnologies, où le transport sélectif, la séparation en taille et le piégeage d'objets colloïdaux sont activement recherchés. Ces possibilités deviennent encore plus intéressantes si l'on considère que les processus thermoélectriques impliqués tirent parti de la forte interaction plasmonique entre la lumière et la structure des métaux nobles qui recouvrent les particules. Ceci permet de générer localement de forts gradients thermiques et laisse envisager de nouvelles voies de séparation contrôlées optiquement dans de futures applications en micro- et nano-fluidique.

Si l'effet Seebeck est bien compris en volume, on connait assez mal les propriétés thermoélectriques dans des géométries complexes, par exemple au voisinage de particules Janus chauffées. De même, les phénomènes se déroulant aux échelles nanométriques près de la source de chaleur sont à l'heure actuelle très peu connus. Ces questions nécessitent donc une étude détaillée des effets de charges induites thermiquement dans la proximité immédiate de la surface chauffée.

Ce projet propose d'étudier les propriétés thermoélectriques aux micro- et nano-échelles dans une solution d'électrolytes. Ce programme, qui implique une collaboration étroite entre théorie et expérience, a deux objectifs principaux. Le premier objectif est de caractériser les forces qui opèrent dans le processus d'auto-propulsion de particules Janus chauffées. Le second a pour but de concevoir des champs électriques générés thermiquement dans des géométries confinées et des nanostructures.

Du point de vue théorique, ce programme nécessite de prendre en compte le couplage entre le champ de température, le champ électrique induit et l'écoulement qui en découle. Le principal résultat attendu est la distribution de charges au voisinage de la particule chauffée, en particulier son moment dipolaire, ainsi que le mouvement de translation et de rotation qui en résulte. Nous envisageons également d'explorer les applications possibles en microfluidique pour le transport et la séparation en taille des particules.

Les expériences proposées dans le projet sont en lien direct avec la partie théorique. D'un côté, nous souhaitons étudier l'influence des effets thermoélectriques sur le mouvement de particules Janus recouvertes pour moitié d'une couche métallique et chauffé par des méthodes optiques. Ceci implique le développement de stratégies avancées pour la détection des particules, combiné avec leur manipulation active via des techniques de "photon nugging". Les études sur des particules uniques seront comparées aux phénomènes plus complexes attendus lorsque deux particules Janus sont attachées entre elles ou interagissant via les champs thermiques, électrostatiques et hydrodynamiques. Enfin, la distribution du champ thermoélectrique autour de nanostructures métalliques immobiles sera considérée, avec comme objectif de développer des nouvelles méthodes pour la manipulation de micro- et nano-objets.