Approche continue des cinétiques hors d’équilibre

Les systèmes portés hors équilibre relaxent avec des cinétiques dont la nature intrinsèque est souvent difficile à sonder : réactions chimiques exothermiques faisant évoluer la température du milieu, couplage avec la dynamique du mélange des réactifs, nucléation hétérogène gouvernée par la présence d’impuretés, etc.

 

Aujourd’hui grâce à la microfluidique, il est possible d’étudier ces phénomènes de façon continue, à une échelle de temps non accessible aux techniques classiques. Le principe de telles expériences est illustré sur la figure en bas de cette page : les réactifs dispersés dans un solvant (généralement aqueux), forment une gouttelette à l’intersection avec un flot continu d’une phase porteuse (généralement de l’huile). Ces gouttelettes forment de véritables microréacteurs dont le volume caractéristique varie entre quelques nanolitres et un microlitre. La cinétique du processus est ensuite mesurée de façon stationnaire et en ligne le long de l’écoulement des gouttelettes. L’intérêt de la miniaturisation est multiple : meilleur contrôle thermique, suivi direct du mélange, possibilité d’effectuer des mesures spectroscopiques stationnaires

 

De nombreuses problématiques scientifiques quant à la formation de telles gouttes et leur transport sur un réseau de microcanaux, constituent un des quatre thèmes de recherche du LOF (cf. écoulement de fluides complexes aux petites échelles). Dans le thème présent, nous nous focalisons plutôt sur l’utilisation de cette technologie pour sonder des dynamiques hors-équilibre de systèmes divers. Un des thèmes fondamental est la caractérisation du mélange au sein des gouttes et a fait l’objet de différents travaux au laboratoire : il est possible grâce à des géométries appropriées de mélanger les réactifs en des temps de l’ordre de quelques millisecondes. Nous appliquons ces outils à l’étude des cinétiques de réactions chimiques homogènes, en montrant cette fois, que ces expériences permettent d’acquérir des données cinétiques de réactions chimiques fortement exothermiques. Ces microréacteurs sont particulièrement appropriés pour l’étude des conditions cinétiques de cristallisation de soluté, ainsi que pour quantifier précisément les transferts de phase. Notons aussi pour finir que le rôle de l’instrumentation pour la micro-analyse, joue ici un rôle crucial dans le développement de techniques pour sonder ces processus dynamiques.