1. Folding a focalized acoustical vortex on a flat holographic transducer: Miniaturized selective acoustical tweezers
- Author
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Olivier Bou Matar, Michael Baudoin, Antoine Riaud, Jean Louis Thomas, J.-C. Gerbedoen, Nikolay Smagin, Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Acoustique Impulsionnelle & Magnéto-Acoustique Non linéaire - Fluides, Interfaces Liquides & Micro-Systèmes - IEMN (AIMAN-FILMS - IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Puissance - IEMN (PUISSANCE - IEMN), Fudan University [Shanghai], State Key Laboratory of ASIC and System, School of Microelectronics, Fudan University, Transduction, Propagation et Imagerie Acoustique - IEMN (TPIA - IEMN), Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Département Opto-Acousto-Électronique - UMR 8520 (IEMN-DOAE), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Acoustique pour les nanosciences (INSP-E3), Institut des Nanosciences de Paris (INSP), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), AcknowledgmentsWe acknowledge the platform 'WaveSurf' from Université Polytechnique Hauts-de-France for performing the measurements with the laser interferometer. We also acknowledge A. Vlandas for critical reading of the manuscript and valuable advices that helped us improve its overall quality. Funding: This work was supported by SATT Nord. Author contributions: M.B., A.R., and J.-L.T. designed the research. M.B. and J.-C.G. built the setup and performed the experiments. M.B. and A.R. performed the numerical simulations. O.B.M., J.-C.G., and N.S. performed the field measurements with the interferometer. M.B., O.B.M., A.R., and J.-L.T. analyzed and interpreted the results. M.B., O.B.M., J.-C.G., A.R., and J.-L.T. wrote the paper. All authors approved the final version of the manuscript. Competing interests: J.-L.T., O.B.M., A.R., and M.B. are inventors on a patent application related to this work filed with the European Patent Office (application no. EP17198204.4, submitted 25 October 2017). All other authors declare that they have no competing interests. Data and materials availability: All data needed to evaluate the conclusions in the paper are present in the paper and/or the Supplementary Materials. Additional data related to this paper may be requested from the authors., RENATECH, Baudoin, Michael, Médecine Personnalisée, Pharmacogénomique, Optimisation Thérapeutique (MEPPOT - U1147), Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Acoustique Impulsionnelle & Magnéto-Acoustique Non linéaire - Fluides, Interfaces Liquides & Micro-Systèmes - IEMN (AIMAN-FILMS-IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-INSA Institut National des Sciences Appliquées Hauts-de-France (INSA Hauts-De-France)-Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-INSA Institut National des Sciences Appliquées Hauts-de-France (INSA Hauts-De-France), Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) - UMR 8520 ( IEMN ), Ecole Centrale de Lille-Institut supérieur de l'électronique et du nunérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambresis ( UVHC ) -Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Université Paris Sorbonne Cité, INSERM UMR-S1147, Institut des Nanosciences de Paris ( INSP ), and Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 ( UPMC ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS )
- Subjects
[PHYS.PHYS.PHYS-FLU-DYN]Physics [physics]/Physics [physics]/Fluid Dynamics [physics.flu-dyn] ,[PHYS.PHYS.PHYS-CLASS-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Classical Physics [physics.class-ph] ,Materials science ,Acoustics ,Microfluidics ,Holography ,FOS: Physical sciences ,Physics - Classical Physics ,Applied Physics (physics.app-ph) ,02 engineering and technology ,01 natural sciences ,law.invention ,Engineering ,[ PHYS.PHYS.PHYS-CLASS-PH ] Physics [physics]/Physics [physics]/Classical Physics [physics.class-ph] ,law ,0103 physical sciences ,Tweezers ,Miniaturization ,Piezoelectric substrate ,010306 general physics ,Research Articles ,[ PHYS.MECA.ACOU ] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Acoustics [physics.class-ph] ,Applied Physics ,Multidisciplinary ,Fluid Dynamics (physics.flu-dyn) ,SciAdv r-articles ,Classical Physics (physics.class-ph) ,Physics - Applied Physics ,Physics - Fluid Dynamics ,[PHYS.PHYS.PHYS-FLU-DYN] Physics [physics]/Physics [physics]/Fluid Dynamics [physics.flu-dyn] ,021001 nanoscience & nanotechnology ,Vortex ,[PHYS.MECA.ACOU]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Acoustics [physics.class-ph] ,Folding (chemistry) ,Transducer ,[ PHYS.PHYS.PHYS-FLU-DYN ] Physics [physics]/Physics [physics]/Fluid Dynamics [physics.flu-dyn] ,[PHYS.PHYS.PHYS-CLASS-PH] Physics [physics]/Physics [physics]/Classical Physics [physics.class-ph] ,[PHYS.MECA.ACOU] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Acoustics [physics.class-ph] ,0210 nano-technology ,Research Article - Abstract
Selective manipulation of micrometric objects in a standard microscopy environment is possible with miniaturized acoustical tweezers., Acoustical tweezers based on focalized acoustical vortices hold the promise of precise contactless manipulation of millimeter down to submicrometer particles, microorganisms, and cells with unprecedented combined selectivity and trapping force. Yet, the widespread dissemination of this technology has been hindered by severe limitations of current systems in terms of performance and/or miniaturization and integrability. Here, we unleash the potential of focalized acoustical vortices by developing the first flat, compact, paired single electrode focalized acoustical tweezers. These tweezers rely on spiraling transducers obtained by folding a spherical acoustical vortex on a flat piezoelectric substrate. We demonstrate the ability of these tweezers to grab and displace micrometric objects in a standard microfluidic environment with unique selectivity. The simplicity of this system and its scalability to higher frequencies open tremendous perspectives in microbiology, microrobotics, and microscopy.
- Published
- 2019