Transport and self-assembly of droplets in microfluidic devices

par Bing-Qing Shen

Thèse de doctorat en Sciences mécaniques, acoustique, électronique & robotique

Sous la direction de Mathilde Callies Reyssat et de Patrick Tabeling.

Soutenue le 25-09-2014

à Paris 6 , dans le cadre de Ecole doctorale Génie des procédés et technologies avancées (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Microfluidique, MEMS, Nanostructures (laboratoire) .

Le jury était composé de Martine Ben Amar, Véronique Schmitt, Yves Fouillet, Jean-Christophe Baret, Florent Malloggi.

  • Titre traduit

    Transport et auto-assemblage de gouttes dans des systèmes microfluidiques


  • Résumé

    Les propriétés d'un matériau sont fortement liées à l'organisation de la matière qui le constitue. Notre approche consiste à développer une nouvelle méthode de synthèse de briques élémentaires de la matière constituées d'assemblage de colloïdes à haut débit en utilisant la technologie microfluidique et à en comprendre la physique associée. Après une exploration des différentes techniques disponibles permettant la création d'assemblage de gouttes, nous avons choisi de concentrer notre étude sur un mécanisme d'assemblage piloté par les interactions dipolaires entre gouttes. Nous démontrons la possibilité de former les assemblages de gouttes (ayant des interactions adhésives entre elles) grâce à l'utilisation conjointe d'une jonction en T et d'un dispositif d'émulsification à marche (step emulsification). Nous observons une grande variété de configurations stationnaires ou oscillantes. Nous explorons l'influence des paramètres physicochimiques et hydrodynamiques sur le mécanisme d'assemblage. Enfin, nous montrons la possibilité de jouer sur la taille des gouttes et leur composition chimique pour obtenir des assemblages complexes anisotropes par cette technique. Ces briques élémentaires ouvrent une nouvelle voie pour la synthèse de matériaux microtexturés à l'échelle colloïdale.


  • Résumé

    The material's behaviors are strongly related to the spatial arrangement of their fundamental building blocks. In this Ph.D. work, we aim at developing a novel approach for high-throughput colloidal clusters synthesis and understanding the related physics. After having explored various different techniques to elaborate the cluster entities, we have chosen to focus our study on a hydrodynamic-assisted assembly mechanism based on dipolar interaction. Through the use of dedicated two-layer microfluidic devices and by decoupling T-junction production and step emulsification, we demonstrate the direct assembling of droplets into clusters (of the adhesive emulsions). A rich variety of configurations, either stationary or oscillatory are observed. We have investigated the effect of the hydrodynamics as well as the physicochemical conditions on the clustering process. Moreover, more complex clusters such as anisotropic ones have been successfully generated by integrating some additional functionalities to our microfluidic chips. These features are potentially interesting to access new microstructured colloidal materials.


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