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Quelques résultats relatifs aux phénomènes de fragmentation de gouttelettes dans des dispositifs microfluidiques

Pascal Panizza, IPR (UMR 6251), Université Rennes 1

par Salmon Jean-Baptiste - publié le , mis à jour le

Les techniques récentes de microfluidique permettent de produire des gouttelettes
monodisperses de manière contrôlée et de les manipuler individuellement. Utilisées comme
microréacteurs, ces gouttelettes sont l ??élément de base d ??applications digitales haut-débit
permettant d ??analyser un processus cinétique très rapidement, de manière fiable et en
utilisant très peu d ??échantillon. Le développement de telles applications nécessite de pouvoir
réaliser et combiner diverses opérations élémentaires sur ces gouttes, telles que la dilution, la
concentration, la fusion ou encore la fragmentation. Dans ce contexte, nous présentons une
étude expérimentale, théorique et numérique de la fragmentation d’objets déformables
(gouttes, bulles) sur un micro-obstacle rectangulaire, en commençant par les résultats
obtenus dans le cas où la longueur de l’obstacle est de l’ordre de celle de l’objet considéré.
Nous montrons l’existence de quatre régimes hydrodynamiques de fragmentation ainsi que
le rôle crucial du contraste de viscosité entre les phases porteuse et dispersée. Nous
décrivons un modèle simple permettant d’identifier les paramètres adimensionnés pertinents
du problème, et de retrouver nos observations expérimentales. En utilisant par la suite des
obstacles très longs, nous montrons qu’il est raisonnable de négliger les fluctuations dans ce
système et d’établir un modèle très simple de type "champ moyen", rendant compte des
expériences dans cette configuration. Enfin, nous discutons de l’émergence d’effets
coopératifs que nous introduisons en autorisant des interactions hydrodynamiques entre
gouttes. Dans ces régimes de fragmentation, les volumes des gouttes "filles" produites par la
fragmentation d’une goutte "mère" deviennent des fonctions temporellement périodiques,
signatures de dynamiques complexes. Des diagrammes représentant les différents régimes
possibles observés en fonction des paramètres expérimentaux du problème sont établis et
discutés.