Sujet de thèse - Micromanipulation et fonction de surfaces

Mickael.Gauthier

Description

--- Sujet de thèse --- Modélisation, expérimentation et optimisation de sstyèmes de micronanomanipulation par electrophorèse, exploitant les fonctionnalisationdse surfaces Proposé par : Nicolas Chaillet, prof. d’univerUsiFtéC (FEMTO-ST) , Michaël Gauthier, CR CNRS (FEMTO-ST) et Sophie Lakard, maître de confnécree, UFC (UTINAM). Contexte scientifique L’impact des avancées en robotique de manipulatioà n l’échelle des micro et nanotechnologies s’appréhende en mesurant lefo ssé dimensionnel qu’il existe entre le nanomètre et le millimètre couvrant six ordres de grandeur. Ainsi, les dix dernières années ont vu émerger sdoelsutions de micromanipulation aux alentours de 50 micromètresa nds les laboratoires académiques et qui trouvent aujourd’hui un écho industriel dans l’irnusmt entation scientifique et la micromécanique (Percipio-Robotics, Thalès) ou en microélectroni q(uNeXP, ST microelectronics, Beam Express) avec l’apparition des composants 3D (3D-STACK). A l’avenir, les fonctions réalisées à base essenlletimeent de nanotechnologies devront pouvoir être assemblées pour construire un composant fonctionn einltégré, voire intelligent. Afin de préparer ce marché, il est nécessaire que les équipes de recchhee r académiques micro-nanorobotique investiguent désormais une échelle dimensionnellen eavance sur les préoccupations industrielles quotidiennes et se positionnent sur l’espace librela issé entre nanomanipulation et micromanipulation situé entre ...

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Extrait

--- Sujet de thèse --- Modélisation, expérimentation et optimisation de systèmes de micronanomanipulation par electrophorèse, exploitant les fonctionnalisations de surfaces Proposé par : Nicolas Chaillet, prof. d’université UFC (FEMTO-ST) , Michaël Gauthier, CR CNRS (FEMTO-ST) et Sophie Lakard, maître de conférence, UFC (UTINAM). Contexte scientifique L’impact des avancées en robotique de manipulation à l’échelle des micro et nanotechnologies s’appréhende en mesurant lefossé dimensionnel qu’il existe entre le nanomètre et le millimètre couvrant six ordres de grandeur. Ainsi,les dix dernières années ont vu émerger des solutions de micromanipulation aux alentours de 50 micromètres dans les laboratoires académiques et qui trouvent aujourd’hui un écho industriel dans l’instrumentation scientifique et la micromécanique (Percipio-Robotics, Thalès) ou en microélectronique (NXP,ST microelectronics, Beam Express) avec l’apparition des composants 3D (3D-STACK). A l’avenir, les fonctions réalisées à base essentiellement de nanotechnologies devront pouvoir être assemblées pour construire un composant fonctionnel intégré, voire intelligent. Afin de préparer ce marché, il est nécessaire que les équipes de recherche académiques micro-nanorobotique investiguent désormais une échelle dimensionnelle en avance sur les préoccupations industrielles quotidiennes et se positionnent sur l’espace libre laissé entre nanomanipulation et micromanipulation situé entre 100nm et 10µm. La capacité d’assemblage dans cet espace dimensionnel est un point clé du développement de futurs produits complexes basés sur des nanotechnologies. Ce sujet de thèse porte sur l’étude d’une méthode basée sur l’exploitation d’un couplage entre l’électrophorèse (microtechnologie) et la chimie des surfaces (nanotechnologie) pour réaliser des opérations de micronanomanipulation. Contexte collaboratif et environnement. Ce sujet de thèse pluridisciplinaire sera réalisé en co-encadrement entre l’institut FEMTO-ST (dept. AS2M) et l’institut UTINAM. La présence sur le site de Besançon des compétences en micromanipulation reconnue sur le plan international (FEMTO-ST) [1,2] et de compétences en maîtrise et analyse de la chimie des surfaces (UTINAM) crée un environnement particulièrement favorable à l’étude de moyens de micronanomanipulation exploitant la chimie des surfaces. De plus, de premiers travaux exploratoires ont d’ores et déjà été menés entre les deux laboratoires montrant la pertinence et la faisabilité de ces approches couplées [3-5]. De plus, ce sujet est basé sur des compétences en modélisation de trajectoires d’objets dans des champs électriques à l’échelle micrométrique précédemment développées à l’institut FEMTO-ST [6]. Ce sujet de thèse est également complémentaire d’un projet ANR qui sera déposé prochainement en collaboration avec l’institut ISIR à Paris et le laboratoire franco-japonais LIMMS situé à Tokyo sur le « nano-assemblage ». Enfin, le positionnement scientifique de ce sujet porte sur la thématique micronanorobotique du projet de laboratoire d’excellence ROBOTEX.

Objectifs et approches L’objectif est de positionner des micronano-objets d’une taille typiquement de l’ordre du micromètre en vue de réaliser un assemblage. L’approche retenue consiste à utiliser un moyen de positionnement sans contact de façon à éviter les problèmes d’adhésion inhérents à cette échelle. L’utilisation d’un champ électrique est à même d’assurer un positionnement des micronano-objets mais cet effet est dépendant des densités de charges électriques sur les micro-objets qui ne sont pas actuellement contrôlées. Or, l’interaction entre une surface chimiquement fonctionnalisée et un milieu ionique est à même de contrôler la densité de charge sur un micro-objet(par exemple, la présence d’une fonction amine à pH acide induit une charge de surface positive par protonation [7- 8]). Ainsi l’approche proposée consiste à maîtriser les conditions limites du problème électrique (densité surfacique de charges) à l’aide de procédés de fonctionnalisations chimiques (voir figure ci- dessous). champ équilibre chimique électrique chargesélectrostatiques locales L’intérêt de cette méthode est qu’elle permet de maîtriser la position et la quantité de charges de surface sur l’objet à manipuler permettant de contrôler la position de la force électrostatique appliquée à l’objet. De plus, la modification des paramètres chimiques (ex. pH du milieu) au cours du temps permettra de modifier la densité de charge de surface et donc le point d’application de la force appliquée créant un moyen de manipulation d’une grande dextérité. Contenu des travaux : Les travaux de thèse porteront premièrement sur une modélisation du principe retenu et du couplage entre l’équilibre électrochimique avec la surface fonctionnalisée et l’établissement du champ électrique dans l’espace. L’impact de la présence du champ électrique sur l’équilibre électrochimique devra être analysé et quantifié. La deuxième phase envisagée porte sur une expérimentation sur quelques cas tests d’objets possédant des fonctionnalisations chimiques locales dans des champs électriques. Ces expérimentations permettront de valider par des mesures de trajectoire ou de force la pertinence des modèles développés. Sur la base de ces modèles, des méthodes d’optimisation pourront être proposées pour la conception de systèmes de micromanipulation exploitant ce principe. En fonction de l’opération souhaitée, un choix de champ électrique et de localisation des fonctionnalisations pourra alors être proposé. [1] M. Gauthier, S. Régnier, ‘Robotic micro-assembly’, IEEE Press, Wiley Edition, 320 pages,ISBN:9780470484173, 2010. [2] N. Chaillet, S. Régnier, ‘Microrobotics for Micromanipulation’, Wiley Edition, 512 pages,ISBN-10: 1-84821-186-4, 2010. [3] J. Dejeu, A. Et Taouilb, P. Rougeot, S. Lakard, F. Lallemand and B. Lakard, Morphological and adhesive properties of polypyrrole films synthesized by sonoelectrochemical technique, Synthetic Metals, In Press, 2010. [4] C. Lebrun et L. Bidal, Fonctionnalisation de surfaces par des polymères en vue d’applications en robotique, rapport de stage L3, co-encadré entre UTINAM et FEMTO-ST, 2010. [5] I. Amoud, Fonctionnalisation de surfaces par des polymères en vue d’applications en robotique, rapport de stage M1, co-encadré entre UTINAM et FEMTO-ST, 2010. [6] M. Kharboutly, M. Gauthier, N. Chaillet, Modeling the trajectory of a micro-particle in a dielectrophoresis device. Journal of Applied Physics, 2009. [7] J. Dejeu, M. Gauthier, P. Rougeot, W. Boireau, Adhesion forces controlled by chemical self-assembly and pH, application to robotic microhandling, ACS App. Mat. & Interfaces, 2009. [8] J. Dejeu, P. Rougeot, M. Gauthier, W. Boireau, Reduction of micro-object's adhesion using chemical functionnalisation, in MicroNano Letters, 2009.