Ecoulement microfluidique de suspensions de particules déformables à travers des rétrécissements

Microfluidic flow of suspensions of deformable particles through constrictions

• Auteur / Autrice : Lars Kool
• Direction : Anke Lindner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/06/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Paulo E. Arratia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paulo E. Arratia, Gioacchino Viggiani, Émilie Dressaire, Elie Wandersman, Stéphanie Debœuf, Ralf Stannarius
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gioacchino Viggiani, Émilie Dressaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanogels

Élasticité

Matière -- Propriétés

Microfluidique

Milieux granulaires

Mots clés libres

Granulaire

Microfluidique

Rigidité

Hydrogel

Suspension

Trémie

Entonnoir

Compactage

Granular

Microfluidics

Soft

Hydrogel

Suspension

Hopper

Compaction

Résumé

Les milieux granulaires sont omniprésents, qu'il s'agisse du sol sur lequel nous construisons nos maisons ou des grains de café que nous utilisons. Le comportement des matériaux granulaires dépend d'une grande variété de propriétés des particules constitutives, telles que leur distribution de taille, leur rigidité, leur coefficient de frottement ou leur rugosité, pour n'en citer que quelques-unes. La manière dont chacune de ces propriétés influence séparément le comportement des matériaux granulaires n'est pas claire. De plus, tester expérimentalement l'influence de ces propriétés séparément est un défi, car la modification d'une propriété tend à modifier les autres également. Dans cette thèse, nous décrivons une méthode pour fabriquer des ensembles de particules avec des propriétés élastiques variables, sans affecter les autres propriétés, à l'intérieur d'un canal microfluidique en réticulant localement une solution photosensible. Nous avons étudié le compactage de particules ayant des propriétés élastiques différentes en les comprimant à l'aide d'un flux oscillant contre une membrane semi-perméable. Nous avons constaté que, quelle que soit la rigidité des particules, la déformation observée présentait un comportement hystérétique lorsqu'elle était représentée en fonction de la contrainte imposée. Alors que cette hystérésis pourrait être attribuée à la relaxation poro-élastique complexe des particules d'hydrogel, l'hystérésis s'est avérée persistante même lorsque la fréquence d'entraînement est nulle, ce qui indique une origine indépendante du temps. Pour approfondir les origines microscopiques possibles de l'hystérésis, nous avons déterminé les forces interparticulaires à partir des déformations des particules molles. Nous avons constaté que les quantités microscopiques, telles que le nombre de coordination et la distribution des forces interparticulaires, suivaient les tendances décrites dans la littérature. Nous avons découvert que la contrainte microscopique et la déformation globale ne présentaient pas d'hystérésis. En outre, nous avons constaté que la déformation globale s'échelonne linéairement avec la déformation moyenne des particules individuelles. Enfin, nous avons mis au point une nouvelle trémie microfluidique pour étudier la décharge de particules molles sans frottement. Nous avons constaté que le taux de décharge s'échelonnait linéairement avec la force motrice, contrairement aux trémies des granulaires secs. Le colmatage n'a été obtenu que pour des tailles d'orifice très étroites, là encore contrairement aux milieux granulaires secs. Les méthodes expérimentales décrites dans cette thèse peuvent facilement être adaptées pour étudier systématiquement d'autres propriétés des particules. Le contrôle précis de la forme et de la taille des particules pourrait être utilisé pour ajuster la rugosité des particules, en tant qu'analogue à la friction interparticulaire.

Granular media are ubiquitous, from the soil we build our houses on to the beans we use to make our coffee. The behavior of granular materials depends on a wide variety of properties of the constituent particles, such as their size distribution, softness, coefficient of friction or roughness, to list a few. It is not fully clear yet how each of these particle properties separately influence the behavior of granular materials. Furthermore, experimentally testing the influence of these properties is challenging, as changing one property tends to change others as well. In this thesis, we describe a method to fabricate ensembles of particles with varying elastic properties, while keeping other properties mainly unaffected, inside a microfluidic channel by locally crosslinking a photosensitive solution. We studied the compaction of particles with different softnesse by compressing them using oscillatory flow against a semi-permeable membrane. We found that, regardless of the particle softness, the observed strain showed hysteretic behavior when represented as a function of the imposed stress. While this hysteresis could be attributed to the complex poro-elastic relaxation of the hydrogel particles, the hysteresis was found to be persistent even at vanishing driving frequency, pointing towards a time-independent origin. To delve into the possible microscopic origins of the hysteresis, we determined the interparticle forces from the deformations of the soft particles. We found that the microscopic quantities, such as the coordination number and distribution of inter-particle forces followed the trends described in literature. Furthermore, we found that the bulk deformation scales linearly with the average deformation of the individual particles, and that the microscopic stress and bulk deformation did not show any hysteresis. Lastly, we developed a new microfluidic hopper to study the discharge of soft frictionless particles. We found that the discharge rate scaled linearly with the driving force, unlike for dry granular hoppers. Clogging was only obtained for very narrow orifice sizes, again in contrast to dry granular media. The experimental methods described in this thesis can easily be adapted to systematically study other particle properties. The precise control over the shape and size of the particles could be used to tune the roughness of the particles, as an analogue to interparticle friction.