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Publié parLéonne Renard Modifié depuis plus de 10 années
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Groupe Microfluidique Mems et Nanostructure
La microfluidique, une science en devenir, quelques exemples d’expériences et d’applications Hervé Willaime Groupe Microfluidique Mems et Nanostructure UMR CNRS-ESPCI 7083 X-ENS-UPS Physique - 12 MAI 05
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Plan Introduction Quelques notions de microfabrication
La fluidique à petite échelle à travers des expériences de laboratoire conclusion
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Quelques repères 1976 : première imprimante à jets d’encre
1990 : premier chromatographe liquide (Manz et al) concept de mTAS (Manz, Graber, Widmer, Sens.Actuator, 1991) : Premiers systèmes élémentaire en microfluidique (micromixeurs, microréacteurs, système de séparation...) : Apparition de la « soft lithography technology », qui a renforcé le domaine. Différents systèmes avec différentes technologies
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La microfluidique est utilisée de façon croissante dans un grand nombre de domaines
- industrie alimentaire - chimie - Biotechnologie - industrie pétrolière - … Dans ces domaines, les systèmes microfluidiques de complexité variable sont nécessaires, et l’enjeu est de pouvoir répondre à la demande. Prévision d’une grande évolution de ses systèmes -> grand enjeu économique
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Lois d’échelle
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les transferts dans les réactions chimiques
(Source : C. Delattre, MIT, MTL) Les transferts thermiques sont plus faciles dans les systèmes Microfluidiques, et la sélectivité des processus est meilleure
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Puce à ADN Les laboratoires sur puce De la société Agilent- Caliper Permettent l’identification d’un brin d’ADN grace à une séparation.
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Les échelles sont bien adaptées à
la manipulation de certains objets...
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la montre qui n’indique pas l’heure
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Microfabrication Deux exemples.
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Technologie verre silicium (verre)
Or Chrome Verre Verre Résine Or Chrome Verre Masque Or Chrome Verre Résine Chrome Résine Or Verre Canal Chrome Résine Or Verre Attaque HF Verre Canal
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Technologie verre silicium (silicium et collage)
Résine Gravure Profonde DRIE Résine Aluminium Aluminium Silicium Silicium Collage anodique Verre Silicium Silicium Verre Microcanal Silicium
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Technologie PDMS(soft lithography) (polydimethylsiloxane)
Monocouche Système de pompage externe Bicouche Pompage et actuation intégrée P
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Comparaison des technologies
PDMS Biocompatible Peu coûteux, rapide à concevoir Courte durée de vie Absorbe solvant matériau mou : avantages et inconvénients Silicium/verre Rigide Géométrie bien contrôlée nombreux traitements de surface Compatible avec solvant
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Un peu de mécanique des fluides en microfluidique
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Equations de Navier-Stokes
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Les nombre de Reynolds sont petits dans les microsystèmes
Re = Ul/n ~ l2 Equations de Stokes
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L’approximation est acceptable dans la plupart des cas
Microhydrodynamique Régime de Stokes : les termes inertiels sont négligés L’approximation est acceptable dans la plupart des cas
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Analogie avec l'électrocinétique
Un élément important : la résistance hydrodynamique Augmente,quand la taille du système diminue Analogie avec l'électrocinétique
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LA MINIATURISATION BOULEVERSE LES EQUILIBRES
PHYSIQUES DE MANIERE SOUVENT INTERESSANTE Les imprimantes à jet d’encre 2 mm From C.J.Kim (UCLA) (1999)
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À l ’aide de nombres sans dimensions
Analyse d ’un microjet À l ’aide de nombres sans dimensions Conclusion : le jet est laminaire (donc facilement contrôlable), les gouttes sont sphériques et la gravité est négligeable
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Contrôle précis des gouttes
Gouttes de qq µm de diamètre Émises à 30kHz a b c Précision de volume d’une fraction de pL d grande résolution d’impréssion utile pour ‘spotter’
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Déplacement de fluide Externe : pousse seringue, pression.
Pompage interne : Mécanique : microsystème, ou peristaltique Electroosmose…
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Micropompe péristaltique
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Pompe péristaltique (J. Goulpeau)
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Electroosmose (E. Brunet) pour séparation électrophorétique
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Le mélange
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Le temps de diffusion pour un canal de 100µm de large (pour une molécule comme la fluoréscéïne) :
Ce temps peut être trop long en particulier pour faire plusieurs réactions chimiques sur la même puce
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Le mélange Faible Reynolds, pas de répime turbulent, la diffusion est insuffisante Nécessité d’activer le mélange, plusieurs idées plus ou moins surprenantes : Mélange chaotique (nombreuses méthodes) Champ électrique, ultrason Membranes oscillantes Mélange intra-gouttes Bactéries avec flagelles.
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Réduction de système macroscopique : géométrie Tesla, un système peu efficace
Ecoulement Mélange peu efficace dans le cas d’un canal microfluidique
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Mélange peu éfficace Expérience faite par O Stern (2001)
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Mélangeur ‘passif’ Stroock, A.D.; Dertinger, S.K.W.; Ajdari, A.; Mezic, I.; Stone, H.A. and Whitesides, G.M. Chaotic mixer formicrochannels. Science, 2002, 295,
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Un mélangeur chaotique : le principe de base
Application de la perturbation Etirement de la ligne U Arrêt de la pertubation Repliement
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Simulations numériques
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Augmentation de la vitesse de mélange
Micromélangeur actif Augmentation de la vitesse de mélange 10 X 200 μm Eau + Glycerol + Fluorescéine Eau + Glycerol ~ 100 μm : Canaux d’actuation Flux de la perturbation Pression
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Film A. Dodge : fréquence croissante
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Langue de ‘calme’ dans un océan de chaos
F=L/Ltrian-1 AMPLITUDE FREQUENCY F. Okkels, P.Tabeling, Phys.Rev.Lett.,92, 3 (2004)
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Mélange en gouttes (D. Weitz, Harvard)
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Les écoulements diphasiques
Quelques jeux de gouttes
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En écoulement macroscopique : structures typiques obtenues
Dans la plupart des cas, pas d’effet des propriétés de mouillage des surfaces Peu de sensibilité aux modes d’injections des fluides.
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Système expérimental Stereomicroscope To a syringe pump
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Diagramme d’écoulement :
Eau dans huile (avec du tensioactif : span 80) eau eau Tetradecane + span 80
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Comparaison sans et avec span 80
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Ces résultats montrent l’importance des forces capillaires dans les écoulements diphasiques en microfluidique comme le montre le nombre capillaire Ca ~ mU/g ~ l2 La maîtrise des propriétés de mouillage permet de contrôler les structures que l’on cherche à obtenir dans les écoulements diphasiques.
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Anna,Bontout, Stone, Formation of dispersins using flow-focussing in microchannels, Appl. Phys. Lett (2003),
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Division de gouttes (D. Weitz, Harvard)
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Système expérimental : principe du forçage
Canal d’écoulement P PDMS PDMS VERRE Actuation
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A très fort couplage Le système répond à la fréquence de forçage.
Intérêt pour les applications
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Contrôle de la taille des gouttes
Film ralenti 3 fois
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Tout n’est pas toujours si simple
Accrochage de fréquences pour certaines gammes de fréquences de forçage : réponse périodique
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Spectres typiques Régime chaotique Fréquence naturelle d’émission
Freponse = F forçage Freponse = F forçage/4 Régime chaotique
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Langues d’Arnold
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Langues d’Arnold
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Escalier du diable Réponse du système en fonction du forçage
couplage fort Réponse du système en fonction du forçage
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Escalier du diable Winding number : average phase change per iteration
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Réponse à un forçage externe
synchronisation Fréponse/Fforçage = m/n (nombre rationnel) Couplage faible Fréponse/Fforçage nombre irrationnel : régime quasipériodique ou chaotique Couplage fort Synchronisation sur la fréquence de forçage : Fréponse = Fforçage
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Rustem F. Ismagilov, Univ. Chicago
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Conclusion
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LES SYSTEMES MICROFLUIDIQUES SONT
INTERESSANTS, PROBABLEMENT POUR 3 RAISONS - La miniaturisation bouleverse les équilibres physiques de manière souvent intéressante - Microfluidique et parallélisme engendrent, lorsqu’ils sont associés, des systèmes parfois étonnants - Il est nécessaire de maitriser les écoulements pour élaborer des laboratoires sur puce
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Miniaturization of electrophoretic separation systems Caliper
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MICROFLUIDIQUE ET PARALLELISME DONNENT LIEU A
DES SYSTEMES PARFOIS ETONNANTS la cristallisation des protéines Les opérations élémentaires Chargement, compartimentage Mélange, purge. (Quake et al, Science 2002)
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lab-on a chips, etc... valves enzyme base pump
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An elementary Lab-on-a-chip LAB-ON A CHIP BIOSITE DIAGNOSES HEART ATTACK WITHIN 10 MN
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