Développement d’un outil EHD microfluidique pour la mesure de propriétés physico-chimiques

A droplet-based microfluidic device for high-throughput physicochemical measurements

• Auteur / Autrice : Estelle Andre
• Direction : Annie Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 19/10/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....) - Sciences et Ingénierie de la Matière Molle
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Élisabeth Lemaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Colin, Élisabeth Lemaire, Anne-Virginie Salsac, Olivier Sandre, José Bico, Nicolas Pannacci
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Virginie Salsac, Olivier Sandre

Mots clés

Mots clés libres

Microfluidique digitale

Viscosité

Haut-Débit

Microfluidics

Viscosity

Droplets

High-Throughput

Résumé

L’expérimentation haut-débit (EHD) représente une demande en croissance dans le domaine de la recherche. Cela fait maintenant plusieurs années que la microfluidique et en particulier la microfluidique digitale est citée comme méthode prometteuse dans ce domaine. En effet, elle permet l’utilisation de faibles volumes mais surtout la possibilité de traiter chaque goutte comme un microréacteur indépendant. L’analyse du contenu de la goutte est souvent réalisé sur ses propriétés optiques. Nous voulons ouvrir cette analyse à d’autres propriétés, en particulier physico-chimiques, comme la viscosité. L’objectif de ce travail est la mise en place d’une puce pour la mesure haut débit de la viscosité en microfluidique digitale. Pour atteindre cet objectif, nous avons choisi d’étudier le phénomène de déformation et relaxation d’une goutte à la sortie d’une restriction microfluidique. Dans le cas de fluides Newtoniens, nous avons établi une corrélation permettant de relier la déformation maximale de la goutte aux différentes grandeurs gouvernant le phénomène et en particulier la viscosité. Nous avons aussi montré que la corrélation trouvée reste valable lorsque les fluides mis en présence sont plus complexes c’est-à-dire pour des systèmes avec tensioactifs ou constitués de polymères présentant un comportement rhéologique non-Newtonien. L’intégration d’un mélangeur à la puce microfluidique permet de faire un premier pas vers le haut-débit car notre puce permet ainsi d’obtenir une mesure de viscosité réalisable rapidement sur des échantillons de compositions différentes et applicable à des fluides complexes.

High- throughput experimentation (HTE) represents a growing demand in the field of research. Microfluidics, and in particular digital microfluidics, have been cited as a promising method in this field for several years now. Indeed, it allows the use of small volumes but especially the possibility ton consider each droplet as an independent microreactor. The analysis of the content of the droplet is often performed on its optical properties. We want to open this analysis to other properties, especially physicochemical properties, such as viscosity. The objective of this work is the development of a chip for the high-throughput measurement of viscosity in digital microfluidics. To achieve this goal, we have chosen to study the phenomenon of deformation and relaxation of a droplet at the exit of a microfluidic constriction. In the case of Newtonian fluids, we have established a correlation linking the maximum deformation of the droplet to the different numbers governing the phenomenon and in particular the viscosity. We have also shown that the correlation found is valid when complex fluids are in presence such as fluids containing surfactants or non-Newtonian polymers. The integration of a mixer to the microfluidic chip allows to make a first step towards high-throughput experimentation because our chip thus makes it possible to obtain quickly a measurement of viscosity on samples of different compositions applicable to complex fluids.