Soutenance de thèse de SADMAN SHAKIB

Un gradient de température à l’échelle micrométrique dans un liquide peut être à la base de nombreux phénomènes physiques. Par exemple, des molécules ou particules dans un liquide peuvent migrer le long de gradients de température, un phénomène appelé thermophorèse. Souvent éclipsé à l’échelle macroscopique par la convection thermique, cet effet devient plus rapide et dominant à l'échelle microscopique. La recherche fondamentale en thermophorèse a également beaucoup progressé au cours de la dernière décennie dans le contexte de la thermoplasmonique. Les nanoparticules plasmoniques sous irradiation laser à la longueur d'onde de résonance deviennent des nanosources de chaleur. Ces travaux de thèse ont utilisé ce phénomène pour créer des gradients de température à l'échelle microscopique dans des systèmes liquides à l'échelle microscopique afin d'étudier la thermophorèse des particules et des molécules. Le gradient de température est créé en illuminant un tapis homogène de nanoparticules d'or à leur longueur d'onde de résonance. Afin d'étudier la thermophorèse à l'échelle microscopique, nous avons besoin d'un microscope capable d'imager des champs microscopiques tels que des gradients de température et de concentration. La thermophorèse est quantifiée par le coefficient de Soret, une quantité physique standard qui indique l'ampleur de la thermophorèse. Il existe de nombreuses méthodes optiques telles que la mesure de l'indice de réfraction et les techniques basées sur la microscopie à fluorescence pour mesurer les coefficients de Soret dans les liquides. Cependant, elles présentent toutes des inconvénients, par exemple, des artefacts dans les mesures de température, une concentration élevée de soluté requise, etc. L’objectif de cette thèse a été de développer un microscope optique capable d'imager quantitativement des gradients de température et de concentration à l'échelle microscopique afin de révéler le coefficient de Soret des solutés dans les fluides. Les techniques d’imagerie quantitative de phase (QPM) permettent de détecter des variations de l'indice de réfraction dans un milieu. Tout objet, par exemple une cellule vivante, une microparticule ou un effet physique tel qu'un gradient de température, qui provoque un changement d'indice de réfraction, peut être imagé par QPM.La QPM utilisée lors de cette thèse est l’interférométrie à décalage quadrilatéral (QLSI) ». La QLSI est capable de mesurer des champs de température aux petites échelles. Le microscope monté lors de cette thèse possède des techniques d'imagerie double : la microscopie de phase pour imager le gradient de température et fluorescence pour mesurer le gradient de concentration. L’absence de marquage fluorescent de l'imagerie de température permet une construction sans artefact du coefficient de Soret sur une large gamme de température pour les systèmes à faible concentration de soluté. Les propriétés optiques des fluides dépendant de la température et de la concentration, par exemple l'indice de réfraction, ont également été mesurées à l'aide du QLSI dans le cadre de cette thèse. Il a été montré que les gradients de phase résultant de micro-cratères contenant des liquides peuvent quantifier de façon précuse des variations de l'indice de réfraction en fonction de la température, donnant dn/dT et dn/dC - deux propriétés optiques importantes du fluide qui sont nécessaires pour l'étude de la thermophorèse. Enfin, une expérience de preuve de concept a été réalisée pour montrer la faisabilité d'une détection complète et sans marqueur de la thermophorèse des molécules en utilisant la technique QLSI. Ce travail offre perspectives dans l'étude de la dynamique de solutés à haute température, comme la thermophorèse à haute température, car la QLSI évite les problèmes de thermoblanchiment dans les mesures basées sur la fluorescence à haute température, ce qui ouvre un tout nouveau domaine de recherche avec QLSI.

Microscale temperature gradient in liquid is a driving factor behind many microscopic physical phenomena in liquid. Molecules and particles in liquid can migrate along temperature gradient and at micrometric spatial scale this effect is known as microscale thermophoresis. Overshadowed in macroscopic environment by thermal convection, this effect becomes faster and dominant in microscale. Microscale thermophoresis is the basis of applications in bioanalytics, study of protein stability thanks to its commercialization. In addition, fundamental research in thermophoresis has also progressed a lot in last decade in the context of thermoplasmonics. Plasmonic nanoparticles under laser irridation at resonance wavelength become nanosources of heat. This thesis work utilized this phenomenon to create microscale temperature gradient in microscale liquid systems to investigate thermophoresis of particles and molecules. Temperature gradient is created by illuminating a homogenous carpet of gold nanoparticle at their resonance wavelength. In order to study thermophoresis in microscale, we need a microscope capable of imaging microscopic fields such as temperature and concentration gradients. Thermophoresis is quantified by Soret coefficient, a standard physical quantity that indicates the magnitude of thermophoresis. Many optical methods such as refractive index measurement and fluorescence microscopy based techniques exist to measure Soret coefficients in liquids. However, all of them have some drawbacks for example, artefacts in temperature measurements, high solute concentration requirement etc. My goal in this thesis was to develop an optical microscope capable of imaging microscale temperature and concentration gradients quantitatively to reveal the Soret coefficient of solutes in fluids. Quantitative phase microscopy (QPM) technique can detect the refractive index variation in a medium. Any object, e.g. living cell, microparticle or physical effect such as temperature gradient that cause refractive index change, resulting phase gradient can be imaged using Quadriwave Lateral Shearing Interferometry (QLSI) technique. QLSI is a QPM technique that has been shown to measure microscale temperature gradient in liquid occurring from thermoplasmonics. My homemade microscope has dual-imaging techniques- phase microscopy using QLSI to image temperature gradient and fluorescence microscopy to measure concentration gradient. The label-free nature of temperature imaging allows artefact free construction of Soret coefficient over wide temperature range for low solute concentration systems. Temperature and concentration dependent optical property of fluids e.g., refractive index has also been measured using QLSI in the thesis. I have showed that phase gradients resulting from micro-vessels containing liquids can give information about refractive index variation with temperature, yielding dn/dT and dn/dC - two most important optical properties of fluid that are necessary for thermophoresis study. Finally, proof of concept experiment was performed to show the feasibility of complete label-free detection of thermophoresis of molecules using QLSI technique. This work has future prospect in studying solute dynamics in high temperature such as super-thermophoresis, as we will not be limited to issues like thermobleaching effect in fluorescence based measurements at high temperature, unlocking a whole new domain of research with QLSI.