Projet ANR-13-BS09-0011 – TRAM : Migration par activation thermique en confinement micrométrique
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Marie-Caroline JULLIEN (Gulliver)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire Gulliver; Institut de Physique de Rennes; Institut Jean le Rond d'Alembert; Adhésion et Inflammation; Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Énergie
Montant : 499816.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 36 mois
Résumé : Migration par activation thermique en confinement micrométriqueContrôler les écoulements de systèmes diphasiques (bulles, gouttes, mousses) par l'application d'une contrainte thermique, impliquant les effets thermocapillaire et thermomécanique.
Contrôler les systèmes diphasiques par activation thermiqueLa microfluidique digitale (bulle ou goutte) est un domaine en plein essor, et l'intrication de plusieurs mécanismes physiques et physico-chimiques rendent difficile la prédiction du comportement de ces éléments. Nous proposons de rendre compte de l'effet de chaque mécanisme par une approche dichotomique avec des expériences modèles. Ceci devrait nous permettre de comprendre la dynamique complexe de ces objets et de fournir des modèles afférents permettant de prédire la direction et l'amplitude de vitesse de ces éléments en fonction de différents paramètres expérimentaux (épaisseur de cavité, nature du surfactant utilisé, application ou non d'un gradient de température...). A notre connaissance, aucune étude systématique n'a été conduite malgré le développement de ces systèmes microfluidiques incluant de la température.Les objectifs du projet sont de deux natures :1) fournir une description complète de la dynamique de goutte, et étendre cette analyse lorsqu'un gradient de température est appliqué. A partir de ces résultats, développer une application permettant de reproduire les fonctionalités de base en microfluidique digitale.2) Contrôler le drainage de mousses 2D par contrainte thermocapillaire.
Complémentarité des approchesL'approche est expérimentale, numérique et théorique.Les expériences sont conduites : 1) par le partenaire 1 pour la détermination de la dynamique de gouttes et l'application d'un gradient de température (élément ou mousse)2) par le partenaire 2 pour l'analyse des propriétés interfaciales3)  par le partenaire 1 en collaboration avec le partenaire 5 pour la mesure d'épaisseur de film de lubrification par RICMLes expériences numériques sont conduites par le partenaire 4 sur des cas d'école fournis par le partenaire 1.Le partenaire 3 interagit avec l'ensemble du consortium pour les modèles.Des réunions régulières entre partenaires permettent de redéfinir au besoin les objectifs ou les expériences à conduire pour converger.
Résumé de la soumission : Les mousses structurées sont d’un intérêt majeur dans plusieurs communautés : les mousses métalliques (résistance aux chocs élevée), matériaux catalytiques (rapport surface/volume élevé) ou matériaux phononiques (atténuation/absorption du son). Ces mousses sont fabriquées par solidification d'une mousse initialement liquide. Une des difficultés principales est le contrôle de l'évolution de la mousse durant cette première phase. Cette évolution est liée à plusieurs facteurs : écoulement de la phase continue (drainage), diffusion du gaz à travers les films liquides, rupture de ces films. Plusieurs publications récentes sur le sujet montrent l’intérêt des communautés académiques et industrielles sur le sujet.Un des objectifs  de notre projet est de développer un système microfluidique capable de contrôler le drainage d’une mousse de manière à produire un matériau très bien contrôlé et capable soit de renforcer le drainage soit de l’inverser. La microfluidique présente plusieurs avantages, le plus important est la possibilité de pouvoir effectuer des expériences sur des temps très courts, et par conséquent d’explorer l’influence de plusieurs paramètres expérimentaux. Ce contexte a ravivé l’intérêt pour l’effet Marangoni qui se réfère aux écoulements générés par des gradients de tension de surface, provoqués soit par un gradient de concentration en surfactants soit par un gradient de température. Notre objectif sera de générer des flux (un gradient de température), qui pourront soit s’additionner, soit s’opposer à l'effet de la gravité, permettant d’obtenir successivement une fraction liquide plus faible/plus importante. L’avantage de générer des écoulements Marangoni provenant d’un gradient de température est qu’il n’est pas nécessaire d’ensemencer la solution (tensioactif photo ou thermo- sensibles, particules magnétiques). Dans le cas du drainage inversé le matériau obtenu sera ainsi plus homogène, et avec une distribution de taille des éléments mieux contrôlée. Une des difficultés de cette approche est qu'un gradient de température génère également de nombreux autres effets, dont on peut tirer profit, ou que l'on peut neutraliser, si l'on en a une bonne connaissance et une bonne maîtrise. Nous avons par exemple montré [Selva et al., Phys. Fluids, 2011] qu’une bulle soumise à un gradient de température constant génère bien un mouvement du liquide autour d'elle. Selon les conditions expérimentales d'autre processus physiques peuvent être impliqués (e.g. solutocapillarité) qui peuvent avoir des effets additifs ou opposés, résultant en une situation complexe associant interfaces libres, diffusion de surfactants, diffusion de chaleur et hydrodynamique. Pour cette raison, ce projet comporte deux phases importantes : (i) une étude préliminaire à l’échelle locale de la goutte/bulle suivie d’une application (ii) l'étude du drainage d'une mousse dans un gradient de température.Dans une première partie (échelle locale) nous souhaitons identifier la contribution des différents effets pour des conditions expérimentales contrôlées. Notre approche sera expérimentale, numérique et théorique, justifiant la participation de cinq partenaires. Cette étude sera valorisée par une application qui consistera à contrôler le déplacement d’une goutte sur un substrat 2D sans contamination du substrat.A partir des résultats obtenus après cette première phase, nous développerons une étude exploitant les effets étudiés précédemment : contrôler le drainage d’une mousse en lui appliquant un gradient de température, une application majeure dans le domaine des matériaux. Plus précisément, nous souhaitons développer un système expérimental permettant d’obtenir une mousse homogène de fraction liquide et de taille de bulle contrôlées.
Résultats : -	Mise en évidence d’un régime de pression de disjonction (interactions moléculaires entre les deux interfaces solide/liquide et liquide/liquide) dans la migration de gouttes
-	Mise en évidence d’une vitesse interfaciale dans la migration de gouttes
-	Accord avec le modèle visqueux de Hodges et al 2004 dans le régime capillaire
-	Développement d’un système permettant de reproduire toutes les opérations élémentaires en microfluidique digitale en utilisant l’effet thermomécanique : production, propulsion, brisure, tri, stockage…
-	Contrôle du drainage gravitaire d’une 2D micrométrique (stoppé voire inversé) en utilisant une contrainte thermocapillaire
-	Mise en évidence d’un nouveau mécanisme de transport de tensioactifs entre bulles adjacentes.
-	Synthèse d’un tensioactif fluorescent pour imager les interfaces et explorer les cinétiques.
-	Introduction de l’effet Van der Waals dans un code de milieux continus (équation de Navier-Stokes)
-	Simulation numérique 3D de la bulle de Breherthon.
Perspectives : Nous souhaitons poursuivre les travaux en focalisant sur les lois de vitesse. Des résultats récents montrent que les vitesses de gouttes sont plus élevées que celles prédites par les modèles classiques. En parallèle, nous prévoyons  d’imager les interfaces en faisant des mélanges SDS/Na-NBD-CAPS afin d’obtenir des données expérimentales pour tester les modèles théoriques. Pour la partie numérique nous prévoyons dans les prochains 6 mois l’obtention d’un code numérique fiable et validé pour l’étude du phénomène de Marangoni dans des configurations réalistes en termes de paramètres physiques et géométriques issus des expériences en cours. A plus long terme une étude numérique modèle d’une dynamique collective représentant des mousses est envisageable. Enfin, nous souhaitons développer des matériaux bulleux structurés pour des applications acoustiques.
Publications et brevets : 1.	V. Miralles,  B. Selva, I. Cantat and M.-C. Jullien, Foam drainage control using thermocapillary stress in a two-dimensional microchamber, Phys. Rev. Lett. 112, 238302 (2014).
2.	A. Huerre ; O. Theodoly, A. Leshansky, M.-P Valignat, I. Cantat and M.-C. Jullien, Droplets in microchannels : Dynamical properties of the lubrication film, Phys. Rev. Lett., accepted 2015.
3.	 A. Huerre, V. Miralles,  and M.-C. Jullien, Bubbles and foams in Microfluidics, Soft Matter 10,  6888–6902 (2014).
4.	V. Miralles, A. Huerre, H. Willimas, B. Fournié and M.-C. Jullien, A versatile technology for droplet-based microfluidics: thermomechanical actuation, Lab Chip 15, 2133 (2015).
Brevets :
1.	Vincent Miralles, Isabelle Cantat, Bertrand Selva, Julien Marchalot, Marie-Caroline Jullien, Dispositif de drainage forcé de fluide multiphasique, PCT extension 26877WO in May 2014