Gouttes sur réseau : by-pass / arborescence

Conception d’un dispositif microfluidique passif qui, par son dessin, permet un échantillonnage exponentiel des temps de séjours de gouttelettes (microréacteurs).
Conception d’une arborescence dissymétrique équilibrée permettant d’atteindre des temps de séjour (homogène ou diphasique) qui varient plus rapidement que linéairement avec la longueur total de canal.
Conception d’un by-pass sur une jonction en T qui affecte localement la répartition de gouttes arrivant sur une jonction. Le by-pass a pour effet de supprimer le régime de répartition en « train de gouttes » et favorise les répartitions uniformes.

La microfluidique, et en particulier l’approche diphasique « goutte microréacteur » ouvrent des perspectives nouvelles en chimie. Elle permet non seulement d’explorer des temps de réaction courts impossibles à étudier auparavant mais aussi, couplée à des outils d’analyse en ligne comme la microspectroscopie Raman, d’optimiser les procédés chimiques actuels et d’en créer de nouveaux.

Notre but a été de concevoir un dispositif microfluidique qui nous permette d’accéder aux temps courts mais aussi aux temps longs et nous donne donc l’ensemble des renseignements d’un processus cinétique sur une seule puce. Cet exercice n’est pas banal. En effet dans un canal rectiligne, le temps de séjour varie de façon linéaire avec la longueur du canal dessiné. Pour atteindre un temps long, et faute de pouvoir diminuer autant qu’on le voudrait les débits des fluides en entrée, on doit fabriquer de très longs canaux. Néanmoins, la réalisation de tels circuits se heurte à des problèmes de pertes de charge et aussi de fabrication : il est difficile de construire des canaux de cette longueur sans éviter la présence de défauts ou de poussières qui viendrait obstruer ces canaux. La probabilité de présence de défauts et donc le risque d’un échec de l’expérience augmentent linéairement avec la longueur du circuit. Pour cela, il convient de résoudre le problème d’encombrement linéaire en mettant au point un système dans lequel le temps de séjour maximal des gouttes évolue plus vite que linéairement le long du canal. Une alternative intéressante consiste à diminuer la vitesse des gouttes en divisant le débit entre les branches successives d’une arborescence. Une arborescence symétrique (type arbre généalogique) a le mérite d’atteindre des temps de séjour longs sans que la perte de charge pose problème mais l’encombrement linéaire n’est pas résolu. En effet le temps de séjour des gouttes varie encore linéairement avec la longueur totale du canal car en même temps que l’on divise la vitesse à chaque intersection, on multiplie le nombre des branches. Il n’y a donc pas de gain par rapport au canal rectiligne.

– Référence here
– Collaboration A. Ajdari, PCT (ESPCI/CNRS) Paris