Thèse soutenue

Interaction Fluide-Structure des microgels dans les systemes microfluidiques simples
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Auteur / Autrice : Charles Moore
Direction : Charles Baroud
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
Date : Soutenance le 16/12/2022
Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne)
Jury : Président / Présidente : Anne-Virginie Salsac
Examinateurs / Examinatrices : Charles Baroud, François Gallaire, José Bico, Gabriel Amselem, Suzie PROTIèRE
Rapporteurs / Rapporteuses : François Gallaire, José Bico

Résumé

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Quel est le rapport entre l’aspiration de perles de tapioca à travers une paille et les tests génétiques microfluidiques ? Tous deux impliquent de faire passer des billes déformables à travers une constriction. Comprendre le transport de ces particules molles est utile pour une large gamme de technologies microfluidiques, en particulier lorsque les particules subissent de grandes déformations. Dans cette thèse, j'étudie l'interaction fluide-structure de billes de gel déformables lorsqu’elles se pressent dans et à travers des constrictions microfluidiques.La première étude réalisée dans cette thèse examine comment une particule entre dans une constriction. Pour ce faire, l’écoulement est utilisé pour piéger une bille de gel sphérique dans une section étroite d’un microcanal. En augmentant la pression, la bille entre de plus dans le resserrement. La déformation de la bille peut être décrite par un modèle de Hertz, reliant la pression autour de la bille, son élasticité, et la géométrie des billes et du canal. En pratique, nos résultats forment la base d’une nouvelle méthode pour mesurer l'élasticité de particules dans un microcanal.L'entrée d'une particule dans une constriction agit également comme une valve qui bloque l'écoulement de fluide. En effet, l’écoulement au niveau d’une bille piégée dans une constriction est une fonction non-linéaire de la pression : le débit commence par s’accroître avec la pression jusqu'à atteindre un maximum, puis diminue et finit par s’arrêter complètement aux hautes pressions. Cette diminution du débit est liée à l’augmentation, sur plusieurs ordres de grandeur, de la résistance hydrodynamique de la bille lorsqu’elle pénètre dans la constriction. Les simulations montrent que le gradient de pression hydrodynamique s’établit alors principalement dans une zone interstitielle, entre la bille et les parois du microcanal. La résistance hydrodynamique est directement reliée à la surface de cette zone, comme dans un écoulement de Poiseuille. En combinant un modèle hydrodynamique reliant la résistance hydrodynamique à la forme déformée du gel, ainsi qu’un modèle de mécanique reliant la déformation du gel à la pression, un nouveau modèle couplé est proposé, permettant de déterminer l’écoulement dans le canal en fonction de la pression imposée. Ce modèle de valve est capable de prédire pour quelle pression le débit est maximal au niveau de la bille, et montre que la valeur de ce flux maximum augmente linéairement avec l'élasticité du gel. Le modèle permet également de prédire la pression à laquelle une bille entre complètement dans une constriction.La deuxième étude reprend après l'entrée d'un gel dans une constriction. Les billes de gel sont acheminées à travers un comparateur microfluidique afin de mesurer leur vitesse ainsi que la résistance hydrodynamique qu’elles ajoutent au canal. La vitesse des billes suit de près celle du fluide environnant. La résistance ajoutée des billes dépend faiblement de leur taille et donc de la constriction du gel, ainsi que de leur élasticité. Des simulations de contact sont utilisées pour comprendre plus précisément comment les billes se déforment. Pour compléter le modèle, j'utilise la théorie de lubrification élastohydrodynamique pour montrer la dépendance de la résistance ajoutée aux propriétés du gel. Je trouve un très bon accord entre la friction lubrifiante prédite et la friction mesurée entre la bille et le microcanal. L'épaisseur de la couche de lubrification augmente à la fois avec la vitesse de l’écoulement et la contrainte exercée par le canal sur la bille.En fournissant un aperçu de l'interaction fluide-structure du gel dans des systèmes simples, cette thèse ouvre également la voie à la compréhension et au contrôle de systèmes microfluidiques beaucoup plus complexes, et au-delà de l'aspiration de billes dans une paille.