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La microfluidique, une science en devenir, quelques exemples dexpériences et dapplications Hervé Willaime Groupe Microfluidique Mems et Nanostructure UMR.

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1 La microfluidique, une science en devenir, quelques exemples dexpériences et dapplications Hervé Willaime Groupe Microfluidique Mems et Nanostructure UMR CNRS-ESPCI 7083 X-ENS-UPS Physique - 12 MAI 05

2 Plan Introduction Quelques notions de microfabrication La fluidique à petite échelle à travers des expériences de laboratoire conclusion

3 1976 : première imprimante à jets dencre 1990 : premier chromatographe liquide (Manz et al) concept de TAS (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 Quelques repères

4 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 lenjeu est de pouvoir répondre à la demande. Prévision dune grande évolution de ses systèmes -> grand enjeu économique

5 Lois déchelle

6 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

7 Les laboratoires sur puce De la société Agilent- Caliper Permettent lidentification dun brin dADN grace à une séparation. Puce à ADN

8 Les échelles sont bien adaptées à la manipulation de certains objets...

9 la montre qui nindique pas lheure

10 Microfabrication Deux exemples.

11 Technologie verre silicium (verre) Verre Or Chrome Verre Résine Or Chrome Verre Masque Or Chrome VerreChrome Résine Or Verre Chrome Résine Or Verre Canal Verre Canal Attaque HF

12 Technologie verre silicium (silicium et collage) Résine Silicium Aluminium Résine Silicium Aluminium Gravure Profonde DRIE Silicium Collage anodique Silicium Verre Silicium VerreMicrocanal

13 Technologie PDMS(soft lithography) (polydimethylsiloxane) Monocouche Système de pompage externe Bicouche Pompage et actuation intégrée P

14 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

15 Un peu de mécanique des fluides en microfluidique

16 Equations de Navier-Stokes

17 Les nombre de Reynolds sont petits dans les microsystèmes Re = Ul/ ~ l 2 Equations de Stokes

18 Microhydrodynamique Régime de Stokes : les termes inertiels sont négligés Lapproximation est acceptable dans la plupart des cas

19 Un élément important : la résistance hydrodynamique Augmente,quand la taille du système diminue

20 LA MINIATURISATION BOULEVERSE LES EQUILIBRES PHYSIQUES DE MANIERE SOUVENT INTERESSANTE Les imprimantes à jet dencre 2 mm From C.J.Kim (UCLA) (1999)

21 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

22 c a d Contrôle précis des gouttes Précision de volume dune fraction de pL grande résolution dimpréssion utile pour spotter b Gouttes de qq µm de diamètre Émises à 30kHz

23 Déplacement de fluide Externe : pousse seringue, pression. Pompage interne : –Mécanique : microsystème, ou peristaltique –Electroosmose…

24 Micropompe péristaltique Micropompe PPPPP

25 Pompe péristaltique (J. Goulpeau)

26 Electroosmose (E. Brunet) pour séparation électrophorétique

27 Le mélange

28 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

29 Le mélange Faible Reynolds, pas de répime turbulent, la diffusion est insuffisante Nécessité dactiver le mélange, plusieurs idées plus ou moins surprenantes : –Mélange chaotique (nombreuses méthodes) –Champ électrique, ultrason –Membranes oscillantes –Mélange intra-gouttes –Bactéries avec flagelles.

30 Réduction de système macroscopique : géométrie Tesla, un système peu efficace Ecoulement Mélange peu efficace dans le cas dun canal microfluidique

31 Expérience faite par O Stern (2001) Mélange peu éfficace

32 Stroock, A.D.; Dertinger, S.K.W.; Ajdari, A.; Mezic, I.; Stone, H.A. and Whitesides, G.M. Chaotic mixer formicrochannels. Science, 2002, 295, Mélangeur passif

33 Un mélangeur chaotique : le principe de base U Application de la perturbation Etirement de la ligne Arrêt de la pertubation Repliement U U

34 Simulations numériques

35 Micromélangeur actif Augmentation de la vitesse de mélange

36 Film A. Dodge : fréquence croissante

37 Langue de calme dans un océan de chaos AMPLITUDE FREQUENCY F. Okkels, P.Tabeling, Phys.Rev.Lett.,92, 3 (2004) F=L/L trian -1

38 Mélange en gouttes (D. Weitz, Harvard)

39 Les écoulements diphasiques Quelques jeux de gouttes

40 En écoulement macroscopique : structures typiques obtenues Dans la plupart des cas, pas deffet des propriétés de mouillage des surfaces Peu de sensibilité aux modes dinjections des fluides.

41 Stereomicroscope To a syringe pump Système expérimental

42 Diagramme découlement : Eau dans huile (avec du tensioactif : span 80) Tetradecane + span 80 eau

43 Comparaison sans et avec span 80

44 La maîtrise des propriétés de mouillage permet de contrôler les structures que lon cherche à obtenir dans les écoulements diphasiques. Ces résultats montrent limportance des forces capillaires dans les écoulements diphasiques en microfluidique comme le montre le nombre capillaire Ca ~ U/ l 2

45 Anna,Bontout, Stone, Formation of dispersins using flow-focussing in microchannels, Appl. Phys. Lett (2003),

46 Division de gouttes (D. Weitz, Harvard)

47 Système expérimental : principe du forçage P PDMS VERRE Canal découlement Actuation

48 A très fort couplage Le système répond à la fréquence de forçage. Intérêt pour les applications

49 Contrôle de la taille des gouttes Film ralenti 3 fois

50 Tout nest pas toujours si simple Accrochage de fréquences pour certaines gammes de fréquences de forçage : réponse périodique

51

52 Spectres typiques Fréquence naturelle démission Freponse = F forçage Freponse = F forçage/4 Régime chaotique

53 Langues dArnold

54

55 Escalier du diable Réponse du système en fonction du forçage couplage fort

56 Escalier du diable Winding number : average phase change per iteration

57 Réponse à un forçage externe synchronisation –F réponse /F forçage = m/n (nombre rationnel) Couplage faible –F réponse /F forçage nombre irrationnel : régime quasipériodique ou chaotique Couplage fort –Synchronisation sur la fréquence de forçage : F réponse = F forçage

58 Rustem F. Ismagilov, Univ. Chicago

59 Conclusion

60 LES SYSTEMES MICROFLUIDIQUES SONT INTERESSANTS, PROBABLEMENT POUR 3 RAISONS - La miniaturisation bouleverse les équilibres physiques de manière souvent intéressante - Microfluidique et parallélisme engendrent, lorsquils sont associés, des systèmes parfois étonnants - Il est nécessaire de maitriser les écoulements pour élaborer des laboratoires sur puce

61 Miniaturization of electrophoretic separation systems Caliper

62 MICROFLUIDIQUE ET PARALLELISME DONNENT LIEU A DES SYSTEMES PARFOIS ETONNANTS la cristallisation des protéines (Quake et al, Science 2002) Chargement, compartimentage Mélange, purge. Les opérations élémentaires

63 lab-on a chips, etc... valves pump enzyme base

64 LAB-ON A CHIP DIAGNOSES HEART ATTACK WITHIN 10 MN BIOSITE An elementary Lab-on-a-chip

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