La philosophie de groupe AIMAN-FILMS est d’exploiter les couplages multiphysiques pour dégager des méthodes de détection, diagnostic, d’actionnement ou de stockage et traitement de l’information. Les domaines visés sont le transport, l’Internet des objets et la santé. Le groupe est constitué de chercheurs expérimentalistes, micro/nano-technologues et théoriciens, en mécanique des fluides, des solides, acoustique, électronique, optique et magnétisme. Ce mélange fait sa force car il permet l’émergence de nouveaux concepts attractifs. Les thématiques de recherche se découpent en 4 grands axes.
Nano & Microsystèmes – Dispositifs à ondes Acoustiques de Surface
Micro-dispositifs à couplages multiphysiques pour les transports intelligents et verts.
Avec l’ONERA, les partenaires du CPER RITMEA, la FR TTM et les industriels européens du transport terrestre et aéronautique, nous étudions des dispositifs couplant la mécanique des fluides aux petites échelles à d’autres grandeurs physiques pour la manipulation d’écoulements et leur métrologie. On s’intéresse au contrôle actif d’écoulements aérodynamiques sur véhicules terrestres et volants en vue de réduire la traînée, augmenter la portée, l’agilité ou le domaine de sécurité. Une forte montée en TRL (5/6) a eu lieu pour les capteurs anémométriques [GHO19, 19A, 21, 22 ,KAZ21]. Ceci est intégré dans le projet RESISTE du PEPR Électronique visant à la création d’une filière en France sur les MEMS en environnements sévères.
Actionneurs SAWs pour le nettoyage de surface.
Nous développons des actionneurs intégrés pour le nettoyage de surfaces optiques tels que celles de capteurs ou de panneaux solaires. Cette thématique a débouché sur la création de la startup VISION avec qui le groupe développe des prototypes tout en continuant d’étudier des aspects théoriques comme les problématiques de friction de particules.
Développement de capteurs multiphysiques SAW pour les jumeaux numériques.
Nous étudions les dispositifs SAW pour la mesure à distance de grandeurs physiques telles que des champs magnétiques [MAZ20], la température, les déformations et vibrations[HAL21]. Cela intéresse l’entreprise Jeumont Electric qui cherche des réseaux de capteurs low-cost pouvant être intégrés dans les machines électriques. L’ANR WISSTITWIN est actuellement en cours [MOU23, MAR23A, B, C].
Filtres SAW pour les télécoms.
Nous avons été sollicités par ST Microelectronics dans le cadre du laboratoire commun avec l’IEMN pour notre expertise dans le domaine du dimensionnement et de la fabrication de dispositifs SAW afin de développer une nouvelle filière académique sur les filtres RF pour la 5G, reposant notamment sur les substrats POI (Piezoelectric On Insulator).
Dispositifs atomiques miniatures.
En 2021, le groupe a recruté V. Maurice qui a alors apporté sa thématique sur les magnétomètres atomiques et les capteurs de champ électrique. Il cherche à développer leur intégration complète avec les chercheurs de FEMTO-ST [MAU22, CAR23]. Les orientations futures sont nombreuses : sources de photons uniques, mémoires quantiques, gyromètres, imagerie THz, émission… Courant 2023, nous avons progressivement intégré J-F. Clément, MdCHC-HDR en provenance du PhLAM et qui développera des plateformes à atomes froids micro-fabriquées miniaturisées.
Fluidique & Acoustique
Acoustofluidique : Pinces acoustiques.
Nous avons développé les premières pinces acoustiques permettant la manipulation 3D et l’organisation sélective de cellules et de micro-organismes. Ces pinces reposent sur des hologrammes actifs consistant en des peignes interdigités déposés sur un substrat piézoélectrique et dont le motif reproduit l’hologramme de phase d’un vortex acoustique au cœur duquel est piégée la particule cible [BAU20, GON20, GON22]. La prochaine étape est le développement de pinces acoustiques à hologrammes reconfigurables pour atteindre une précision micrométrique.
Acoustofluidique : Micro-streaming et micro-nageurs.
Leur développement pour des applications bio-médicales se heurte à une triple difficulté : (i) leur alimentation, (ii) leur biocompatibilité et (iii) leur manœuvrabilité 3D dans des environnements complexes. Pour cela, nous développerons des micro-nageurs propulsés par des ondes acoustiques produisant des écoulements de « microstreaming » sur des micro-nageoires.
Acoustofluidique : Analogues quantiques acoustiques.
Fluides et interfaces : Ressauts hydrauliques et jets.
Le groupe a investigué les impacts de jets liquide sur surfaces solides et en particulier le rôle effectif de la tension de surface sur le phénomène de ressaut hydraulique, mettant ainsi un terme à une controverse scientifique sur le sujet. Nous avons découvert un phénomène d’oscillations spontanées pour un ressaut circulaire avec un couplage avec cavité résonnante [GOE24]. Des travaux pour la compréhension fine du ressaut circulaire et des couplages sont en cours et des activités autour de l’impact d’un jet liquide dans un film de savon sont actuellement développées.
Fluides et interfaces : Hydrodynamique et changement de phase.
Nous explorons des systèmes couplant hydrodynamique et changement de phase tels que l’effet Leidenfrost sur un liquide[BAC20]. Nous avons également étudié l’impact d’un jet liquide sur une plaque surchauffée (>>100°C). Ces thématiques se poursuivent et seront confortées par l’obtention en tant que partenaire d’un projet européen ETN sur l’effet Leidenfrost.
Fluides et interfaces : Cosmologie analogue.
Nous menons actuellement des études sur la dynamique de déplacement et de fusion de lentilles liquides sur un film de savon et développons les modèles théoriques associés. Cette thématique se poursuivra, par l’exploration des analogies possibles avec les fusions de galaxies.
Fluides et interfaces : Effets de particules sur la dynamique d’interfaces.
Nous étudions l’effet de particules sur la modification des propriétés d’interfaces fluides et avons montré qu’il était possible de stabiliser des interfaces et obtenir des bulles et antibulles de durée de vie extrêmement longue [ROU22]. Nous avons aussi étudié le rôle des microbulles piégées sous une particule dans la force d’adhésion de cette dernière au substrat solide. Nous projetons de travailler sur des bulles cargo pouvant transporter des principes actifs.
Fluides et interfaces : dynamique et rupture de ponts capillaires dans des réseaux complexes.
Nous étudions aussi la dynamique et rupture de ponts capillaires dans des réseaux complexes de type arbre mimant l’arbre pulmonaire en lien avec des maladies pulmonaires obstructives [FAV20].
Imagerie acoustique.
Le groupe a une expertise en élastographie non linéaire. Nous étudions une méthode originale combinant, pour un niveau de compression donné, l’élastographie statique pour la mesure de la déformation, et l’élastographie dynamique pour la caractérisation de la rigidité tangente, dans le but de reconstruire le comportement hyperélastique des tissus biologiques[PER23].
Nous étudions également la simulation de la propagation acoustique au travers de la boite crânienne par une méthode hybride (éléments finis / spectres angiulaires) afin de corriger de manière adaptative les aberrations de phase des ondes ultrasonores lorsque le front d’onde plan traverse le crâne en imagerie ultrarapide. L’objectif est d’améliorer la formation du faisceau et de permettre la meilleure localisation possible des agents de contraste ultrasonores épars dans l’imagerie par microscopie de localisation ultrasonore (ULM).
Acoustique et friction.
V. Aleshin est spécialiste de la modélisation pour l’exploitation de non-linéarité acoustique de contact des défauts pour le contrôle non destructif acoustique [TRU19, ALE20A, ALE20B, TER21, ALE23]. Cette expertise est mise à profit dans la thématique du nettoyage de surfaces par SAW ou autres ondes localisées pour déplacer des particules solides avec l’aide de la friction.
Thermo/Photo-acoustique.
Avec Thalès dans le cadre d’une thèse CIFRE, nous avons étudié la « thermophonie » ou la « mécanophonie » sur des composés carbonés pour la génération d’ondes dans les fluides sur un large spectre [GUI19A, 19B, 20, 21]. Cette étude se prolonge dans les systèmes thermoacoustiques et photoacoustiques pour la détection de marqueurs spécifiques du cancer.
Magnétisme Multiphysique
Le groupe travaille sur les applications du couplage magnéto-élastique dans les matériaux en couches minces. Il en avait déjà résulté des concepts tels que la mémoire magnétoélectrique à très faible énergie basée sur la combinaison de couches magnétoélastiques et de substrats électro-actifs [PRE18].
Émetteurs Spintroniques pour le Térahertz
Avec l’équipe Photonique Terahertz de l’IEMN, nous avons commencé à explorer les dispositifs d’émission THz spintroniques. Dans le cadre du projet FETOPEN s-NEBULA porté par THALES S.A. entre 2020 et 2023, nous avons démontré le contrôle de la direction de polarisation par un champ magnétique variable[KOL22], ainsi que par effet magnétoélectrique[LEZ22]. Nous avons aussi montré la possibilité d’une modulation de la direction de polarisation à 10 MHz. Enfin, avec l’institut Fraunhofer ITMW, nous avons développé des émetteurs THz intégrés sur fibre optique[PAR23], ce qui a fait l’objet d’une demande de brevet. Nous travaillons maintenant sur l’intégration de ces émetteurs dans des outils de caractérisation en champ proche et nous avons intégré le projet TOAST du PEPR SPIN. Dans celui-ci nous explorerons l’utilisation des SAW pour une modulation potentielle dans la gamme du GHz.
Dispositifs Magnétoacoustiques sur SAW.
Dans les couches magnétoélastiques, les paramètres élastiques des couches varient lors de l’application d’un champ magnétique ce qui se traduit par un changement de la vitesse de propagation des ondes. En fonction des propriétés de la couche, des champs faibles ou forts peuvent être mesurés. Dans cet axe, on se focalise sur l’optimisation des couches. Cette activité a été intégrée dans les projets ADAGE et SPINMAT du PEPR SPIN.
Dispositifs spintroniques pour le stockage et le traitement de l’information.
Depuis 2019, nous étudions les dispositifs à skyrmions et autres objets topologiques magnétiques avec le Pr. R. Sbiaa, de l’université Sultan Qaboos à Oman [SAI23A, B]. Dans les couches nanostructurées que nous avons déposées, nous avons mis en évidence l’existence de ces objets. L’objectif est d’étudier la possibilité de les contrôler de façon magnéto-électrique et par ondes acoustiques de surface.
Généralisation de l’équation du micro-magnétisme.
Dans son article sur l’équation Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) [GIO20], S. Giordano prend en compte les effets d’inertie dans la dynamique des dipôles magnétiques récemment observés expérimentalement et Il apporte une brique à l’étude des systèmes spintroniques et « straintroniques » à très haute fréquence.
Dispositifs quantiques multiphysiques à base de défauts dans les solides.
Le but de cette nouvelle thématique dans le groupe est d’essayer de combler le fossé entre les capteurs SAW classiques actuels et les capteurs quantiques tels que ceux à centres NV. La solution réside dans le développement d’une transduction efficace et intégrée en utilisant le couplage multiphysique dans les résonateurs magnéto-acoustiques SAW. Des propositions conjointes avec le Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (LSPM) et l’Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP) ont été déposés. Cette initiative s’inscrit bien dans la volonté de l’IEMN d’être un acteur majeur dans les technologies quantiques.
Applications Santé
Parmi les applications possibles des thématiques étudiées dans les axes, le groupe a choisi de mettre un accent sur celles liées au domaine de la santé. Les premières interactions ont eu lieu avec les acteurs locaux, mais ont progressé jusqu’au niveau européen. Voici les principales voies explorées.
Techniques d’imagerie médicale ultrasonore par élastographie.
Évoquées dans l’axe 2, ces techniques sont en lien direct avec le monde médical. Le projet STRATUM (INSERM EVA-MIC2023) avec pour partenaires l’IRIT UMR 5505 à Toulouse et iBRAIN INSERM 1253 à Tours est en phase de démarrage. Il concerne le développement et la validation d’un outil d’imagerie ultrasonore complémentaire à la perfusion IRM pour le suivi et le diagnostic de la néo-angiogenèse des tumeurs cérébrales, afin d’améliorer le diagnostic précoce et de mieux adapter les traitements, en utilisant un concept récent d’imagerie par microscopie de localisation ultrasonore (ULM) en 3D pour les tumeurs cérébrales sans ouverture du crâne.
Mécanique statistique appliquée à la biologie et à la science de matériaux.
Cette étude utilise la mécanique statistique pour examiner l’impact de la température sur des phénomènes micromécaniques pertinents pour la biophysique et la science des matériaux. Elle explore des aspects tels que la friction, la fracture, l’adhésion et les transformations configurationnelles dans les macromolécules. Les résultats montrent que l’adhésion et la fracture peuvent être analysées comme des transitions de phase du 2nd ordre, avec des applications importantes dans la dénaturation de l’ADN ou la décohésion cellulaire. Elle met aussi en évidence l’importance des effets thermiques dans la nanomécanique des matériaux. La combinaison des effets thermiques et de vitesse est cruciale pour comprendre le comportement des matériaux ces échelles [FLO20, BEN20, CAN21, CAN23, GIO22, GIO23]. Les recherches ultérieures porteront sur ces phénomènes en dehors de l’équilibre thermodynamique et sur le passage de modèles discrets à des modèles continus en vue d’une intégration future dans la mécanique des milieux continus.
Application des capteurs de champ magnétiques et dispositifs spintroniques.
L’une des applications des capteurs de champ magnétiques à atomes de Rydberg présentés dans l’axe 1 concerne la mesure de signaux biomagnétiques pour la magnéto-cardiographie voire la magnéto-encéphalographie. Il en va de même pour les capteurs SAW. Enfin, les capteurs magnéto-plasmoniques que nous avons étudiés sont une voie intéressante pour augmenter la sensibilité des capteurs biochimiques[DOL19].
Patchs interrogeables à distance pour le suivi de biomarqueurs.
SWEATPATCH est un projet exploratoire européen Horizon-EIC-2023 impliquant 11 institutions de recherche renommées et des partenaires industriels de 5 pays. L’objectif est de développer et tester cliniquement un patch passif interrogeable à distance, pour le suivi de la réponse thérapeutique des patientes atteintes d’un cancer du sein grâce à l’analyse de biomarqueurs de COV sélectionnés provenant de l’évaporation de la sueur sur la peau.
Micro-dispositifs à couplages multiphysiques pour la biologie et la santé.
CanDoIt est un réseau doctoral des actions Marie Skłodowska-Curie d’Horizon Europe, porté par les chercheurs du groupe à Centrale Lille. Il intègre 18 équipes, participants académiques et non-académiques de 5 pays européens, avec une expertise unique et exceptionnelle. CanDoIt vise à former 12 doctorants pour le développement de biocapteurs multimodaux pour le diagnostic du cancer du sein et le suivi de la réponse thérapeutique.
Biomarqueurs & Biocapteurs
Me L. Manzaneres a été recrutée sur la Chaire Professeur Junior (CPJ) à Centrale Lille dans le domaine des bio-capteurs. L’objectif de ses travaux sera la détection de biomarqueurs à faible concentrations et l’observation de biomolécules dans leur état naturel et dynamique afin de mieux comprendre et contrôler les dynamiques biomoléculaires à l’échelle moléculaire.