Micronageurs rapides pilotés par ultrasons // Fast microswimmers controlled by ultrasound

Les écoulements à petit échelle sont intuitivement associés aux notions de lenteur et de laminarité, avec un contrôle par des mécanismes de dissipation. Cela rend les mécanismes de transport particulièrement inefficaces, par rapport à leurs homologues à des échelles plus grandes, facilités par l'inertie. Cette problématique inclut des questions de mélange, de tri ou de nage de petites quantités de matière ou d'objets. Nous proposons dans le cadre de cette thèse un changement de paradigme : une instabilité de flambage induite par ultrasons, affectant des objets élastiques géométriquement simples (des coquilles sphériques creuses) fera entrer la mécanique des fluides inertielle dans le domaine microscopique. L'instabilité peut transformer l'énergie potentielle fournie par un signal ultrasonore en énergie cinétique à un rythme de plusieurs milliers de fois par seconde. L'objectif du projet est d'acquérir une compréhension fondamentale de ce nouveau mécanisme en analysant l'interaction entre le signal ultrasonore de forçage, l'hydrodynamique, la mécanique des coquilles, la pression des gaz et la dynamique des formes. Nous étudierons ainsi comment un fluide peut être propulsé à proximité de la coquille, d'une manière rapide, contrôlable et efficace. En appliquant ce principe au problème de la micro-motilité, cela devrait conduire à un mécanisme de propulsion qui est de plusieurs ordres de grandeur plus rapide que les techniques actuelles gouvernant la propulsion des micronageurs artificiels. La combinaison d'un puissant mécanisme de génération de flux réalisé par des objets microscopiques simples à produire (coquilles creuses) et alimenté par une technique bon marché et contrôlable (ultrasons) ouvre une multitude d'autres applications, y compris la délivrance ciblée de médicaments.
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Flows at the microscale are intuitively associated with being slow, laminar, and controlled by dissipation mechanisms. This makes transport mechanisms particularly inefficient, compared to their inertia-driven counterparts at larger scales. Examples include the mixing, sorting, and swimming of small quantities or objects.
Through this thesis, we propose a paradigm shift: an ultrasound-driven buckling instability of geometrically simple elastic objects (hollow spherical shells) will make inertial fluid mechanics enter the microscopic realm. The instability can transform potential energy provided by an ultrasound signal into kinetic energy at a rate of thousands of times per second. The objective of the project is to gain a fundamental understanding of this novel mechanism by analyzing the interaction between the forcing ultrasound signal, hydrodynamics, shell mechanics, gas pressure and shape dynamics. Thereby we will investigate how fluid can be propelled in the vicinity of the shell, in a fast, controllable, and efficient way. For the microswimmer application, this should lead to a propulsion mechanism which is orders of magnitude faster than current techniques.
The combination of a powerful flow generation mechanism realized by simple-to-produce microscopic objects (hollow shells) and powered by a cheap and controllable technique (ultrasound) opens a multitude of further applications, including targeted drug delivery.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

Les compétences requises sont : • l'aptitude au travail en équipe dans un cadre collaboratif, • des compétences expérimentales de base en mécanique des fluides et de la créativité. Des connaissances en acoustique ou en chimie des procédés seront un atout supplémentaire. • une connaissance de la mécanique des milieux continus (fluides et solides).
Skills required: • Ability to work cooperatively. • Basic experimental skills in fluid mechanics and creativity. Skills in acoustics or in chemistry would be a plus. • Knowledge in solid and fluid mechanics.