Mélange au sein de gouttes

Les gouttes micrométriques, créées dans des dispositifs microfluidiques à la cadence de plusieurs milliers par seconde, sont autant de réacteurs pour l’étude et la caractérisation de réactions chimiques. Ici, nous quantifions les phénomènes de mélange au sein des gouttes pour montrer qu’un temps optimal de 10 ms peut être atteint dans certaines configurations.

Les microgouttes transportées dans une phase continue offrent de nombreuses perspectives d’acquisition de données physico-chimiques, compte tenu notamment des faibles quantités de produits nécessaires et de la grande surface d’échange offerte avec le liquide environnant. Nous nous intéressons ici au mélange au sein des microgouttes. Cette donnée est primordiale notamment pour l’acquisition de cinétiques chimiques : elle détermine l’instant où l’évolution du milieu réactionnel est due uniquement aux réactions. La caractérisation du mélange est ici effectuée dans deux microsystèmes à l’aide de deux techniques : l’ombroscopie et l’imagerie Raman confocale.

Le premier dispositif utilisé pour générer des gouttes est un micro-coalesceur initialement développé à l’université d’Harvard. Des gouttes de réactifs aqueux sont générées et véhiculées dans l’huile silicone où elles coalescent deux à deux. La deuxième configuration consiste à émulsifier un co-écoulement de deux liquides miscibles. Dans une jonction en « croix », l’huile pince un écoulement de fluides très faiblement mélangés (diffusion moléculaire lente) et crée une goutte qui présente deux hémisphères de composition distincte. L’évolution des gouttes est suivie grâce à une caméra rapide.

Afin de suivre le mélange, nous utilisons de l’eau et un colorant. Plusieurs géométries de microréacteurs sont testées, ainsi que plusieurs géométries pour les mélangeurs à zig-zag. Par une étude systématique et une quantification du mélange, nous montrons que la configuration optimum offre un temps de mélange de l’ordre de 10 ms.

Référence

Collaborations: C. Gourdon, L. Prat, LGC, Toulouse; L. Servant, LPCM, université Bordeaux-I; D. Weitz, D. Link, Harvard university, Cambridge, MA, USA.