Brevet FR2946269A1 — publié le 20101210

L'invention concerne un dispositif dit micro- ou nano- fluidique, destiné à acheminer notamment des pro-duits en très petite quantité par diffusion dans une matrice poreuse. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION L'acheminement de fluide proprement dit ou de soluté dissous dans un fluide (on parlera ci-après de pro-duits) par diffusion au sein d'une matrice poreuse inter-vient dans diverses applications, telles que la sépara- tion (membranes, tamis moléculaire), la catalyse hétérogène (supports catalytiques), l'analyse (capteurs environnementaux, chromatographie, analyse médicale). Il est connu de conformer cette matrice poreuse sous la forme d'une micro conduite cylindrique, destinée à être alimentée à l'une de ses extrémités en produit, et qui est gainée par une enveloppe d'un matériau imperméable au produit à convoyer. L'enveloppe confine ainsi l'écoulement du produit dans la conduite de l'une à l'autre de ses extrémités, écoulement qui peut avoir lieu soit sous l'action de forces naturelles (capillarité), soit par sollicitation externe (telle qu'une différence de pression, un champ électrique). Il est également connu de la demande de brevet US2007/0092411 une conduite micro fluidique comprenant un premier substrat dont les parois définissent un canal d'écoulement, canal qui est rempli de substrat poreux et qui est recouvert d'un deuxième substrat. Dans un cas comme dans l'autre, ces configura- tions ne sont pas dénuées d'inconvénients. La fabrication de micro-conduites gainées ou de substrats définissant des canaux est, notamment, assez délicate. BUT DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des dispositifs évoqués précédemment, qui puisse, notamment, permettre une fabrication et/ou une mise en œuvre plus simple. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention a pour objet un dispositif micro-fluidique pour convoyer un produit par diffusion dans un substrat poreux d'une zone d'injection de produit à une zone d'arrivée de produit reliées par une zone de canalisation de produit. Selon l'invention, le substrat poreux présente une surface libre qui est partiellement recouverte d'un masque imperméable au produit et qui s'étend de la zone d'injection à la zone d'arrivée pour définir dans le substrat la zone de canalisation de produit, de façon à permettre une évaporation du produit par une partie non recouverte de la surface libre. Le produit introduit dans la zone d'injection est donc soumis à une compétition entre une diffusion dans le substrat poreux sous le masque et une évaporation par la partie de surface libre non recouverte. En faisant en sorte que le taux de diffusion soit plus important que le taux d'évaporation, on obtient un transport du produit sous le masque, qui définit ainsi une zone de canalisation de produit dans le substrat, bien qu'aucune frontière ou aucune paroi ne délimite latéralement cette zone de canalisation de produit. Ainsi, loin d'éviter l'évaporation, le dispositif selon l'invention profite de ce phénomène pour canaliser le produit sous le masque. Il est ainsi aisé de conférer au dispositif de l'invention des formes et des longueurs de zone de canalisation de produit très variées, en adaptant uniquement la forme et la longueur du masque. On comprend dans le cadre de la présente invention que le produit est : - soit sous forme liquide, et convoyé conformément à l'invention sous forme pure ou sous forme diluée dans un solvant approprié, - sois sous forme solide, pulvérulente par exemple, et dissout dans un solvant approprié. On comprend également par produit un mélange de plu-sieurs produits. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre et des dessins annexés, il-lustrant plusieurs modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux figures des dessins annexés, où : - la figure 1 représente en perspective un dispositif micro-fluidique selon l'invention, - la figure 2 est une vue d'une section transver- sale du dispositif représenté à la figure 1, - les figures 3a,3b,3c,3d,3e représentent la section longitudinale d'une portion de zone de canalisation de produit dans le substrat poreux selon différentes va-riantes de l'invention. Ces figures sont volontairement très schématiques et ne respectent pas l'échelle entre les différents composants représentés afin d'en faciliter la lecture, chaque élément représenté conservant la même référence dans l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES La figure 1 représente donc un dispositif micro-fluidique 1 selon l'invention, destiné à transporter dans un substrat poreux un produit F donné. On comprend sous le terme de micro-fluidique le fait que le dispositif est apte à transporter de toutes petites quantités de produit (ce terme incluant également les dispositifs appelés nano-fluidiques). Ce dispositif 1 comprend un substrat poreux sous forme d'une couche 2 rapportée sur un support 3 imperméable au produit en question. Dans ce mode de ré- alisation, le support 3 est plan, et la couche 2 présente une surface libre 4, opposée à la face en contact avec le support 3, elle aussi substantiellement plane. La couche 2 présente une zone d'injection ZI du produit F à proximité de l'un de ses bords, et une zone d'arrivée ZA et de collecte du produit à proximité du bord opposé au précédent, le sens d'écoulement du produit F de l'une à l'autre des zones d'injection ZI et d'arrivée ZA dans la couche 2 étant symbolisé par les flèches droites. Ici, le substrat poreux de la couche 2 est en oxyde de silicium SiO2, à pores ouverts d'un diamètre de 15 nanomètres en moyenne. Sa porosité est d'environ 60%. La couche 2 a une épaisseur de 300 nanomètres environ. Elle a été déposée sur le support 3 par des techniques connues dans le domaine du dépôt de couches minces, par exemple ici par sol gel à partir de précurseurs connus. La couche 2 est surmontée d'un masque 5, qui est ici une membrane de PDMS (polydimethylsiloxane) imperméable, qui recouvre partiellement la couche 2. Ce masque est choisi pour être imperméable au produit F que l'on veut transporter par le dispositif selon l'invention. A titre illustratif, le produit F de référence est ici une solution aqueuse de SnC14. Dans une région amont 6 (en référence au sens d'écoulement du produit), le masque recouvre la couche 2 de façon à délimiter la zone d'injection ZI sur laquelle on peut déposer le produit à transporter par une pipette ou une seringue. Dans une région aval, le masque définit une bande 7 laissant libres deux parties 8, 9 de la sur- face 4 de la couche 2 de part et d'autre de cette bande 7. La figure 2, en combinaison avec la figure 1, permet de mieux comprendre comment cette bande 7 du mas- que 5 permet de définir la zone de canalisation de pro- duit ZE du produit F de la zone d'injection ZI à la zone d'arrivée ZA le produit F, injecté dans la zone d'injection ZI, s'écoule sous la région amont 6 du masque 5, puisque son évaporation est bloquée par la présence du masque. Dès que le produit F dépasse la région amont 6 du masque 5, il va pouvoir s'évaporer par les zones 8,9 laissées libres de la couche 2, comme cela est représenté à la figure 1 sous la forme des petites flèches courbes, alors que dans la zone de la couche 2 recouverte par la portion aval 7 du masque 5, il va diffuser dans la couche 2 en direction de la zone d'arrivée ZA. Comme représenté à la figure 2, qui est une vue transversale du dispositif au niveau de la région aval du masque 5, les bords de la bande 7 du masque 5 vont ainsi délimiter dans la couche 2 la zone de canalisation de produit ZE qui s'étend essentiellement sous le masque. La zone de canalisation de produit ZE a, dans l'épaisseur de la couche 2, un profil P qui va en s'évasant de la surface de la couche 2 en contact avec la bande 7 du masque 5 vers la surface de la couche 2 en contact avec son support 3. Ce profil est ici illustré schématiquement. Il peut, selon le type de produit et les caractéristiques du substrat poreux, être différent, notamment être plus ou moins évasé. La figure 2, très schématique, représente des contours linéaires et très nets pour ce profil P. On comprendra que, dans la réalité, ce profil est plutôt délimité par des contours courbes et qu'en outre, il n'est pas aussi net, l'interface entre le produit sous forme liquide dans la zone ZE et qui passe sous forme gazeuse en dehors de cette zone étant diffuse. La disposition du masque 5 sur la couche 2 confine donc le produit F dans une zone de canalisation de produit ZE aux frontières latérales prédéterminées. Selon un deuxième exemple, le substrat poreux constitutif de la couche 2 est en oxyde de silicium SiO2, à pores ouverts de diamètre 200 nanomètres en moyenne et de porosité d'environ 30 La couche 2 a une épaisseur d'environ 500 nanomètres, et a été, comme dans l'exemple précédent, déposée par sol-gel. Les autres composants du dispositif, et le mode de fonctionnement du dispositif, restent inchangés par rapport à l'exemple 1. Les figures 3a à 3e illustrent des variantes de réalisation où le substrat poreux reste sous la forme d'une couche 2 rapportée sur un support 3, mais présente une caractéristique physico-chimique variable dans la zone de canalisation de produit ZE de la couche. Cette variation peut être régulière, à la manière d'un gradient, elle peut aussi être irrégulière, par paliers par exemple, ou n'affecter qu'une partie de la zone de canalisation de produit. Cette variation affecte de préfé- rence, et dans ces figures, la zone de canalisation de produit dans le sens longitudinal de la zone de canalisation de produit, à savoir selon le sens d'écoulement du produit. Les figures 3a à 3e représentent toutes des par- tions de coupes longitudinales de la zone ZE, les flèches rappelant le sens d'écoulement du produit. Ainsi, la figure 3a représente une section longitudinale de la zone ZE, où l'épaisseur de la couche va en diminuant de façon régulière à la manière d'un gradient, et la figure 3b re- présente une même section où, cette fois, l'épaisseur de la couche va en augmentant de façon régulière. Il est également possible, bien sûr, de prévoir des variations d'épaisseur dans la largeur de la zone de canalisation de produit. La figure 3c représente une autre variante, où la porosité augmente au long de la zone ZE (représentation très symbolique), et la figure 3d où, cette fois, la po- rosité diminue au long de la zone ZE. La figure 3e représente encore une autre va- riante, où la composition chimique du matériau varie le long de la zone, avec (de façon très symbolique encore), une couche entièrement constituée d'un produit a à proximité de la zone d'injection ZI, puis qui introduit progressivement dans sa composition un second produit b, puis qui, dans sa partie la plus proche de la zone d'arrivée ZA, n'est plus constituée que du produit b. Bien sûr, on peut aussi prévoir que l'ensemble du substrat poreux soit constitué d'un même mélange de produits ab, dont seule la proportion relative change le long de la zone de canalisation de produit. A noter qu'on peut également prévoir une modification de la composition chimique de la couche dans son épaisseur ou dans sa section transversale. Selon d'autres variantes de l'invention, cette variation peut aussi affecter la zone de canalisation de produit transversalement au sens d'écoulement, ou encore dans l'épaisseur de la couche dans la zone de canalisation de produit. A noter que dans les modes de réalisation décrits plus haut, le produit circule dans la couche par capillarité, mais que, de façon connue, son mode de propagation, et notamment sa vitesse, peut être modifié par intervention de facteurs extérieurs, comme l'application d'un champ électrique ou une différence de pression. Naturellement, on prendra soin de choisir de fa- çon appropriée le type de produit et le type de substrat poreux, de façon à ce que la vitesse de diffusion du pro-duit considéré dans le substrat poreux considéré reste supérieure à sa vitesse d'évaporation, de façon à éviter que la propagation du produit ne se fasse dans la portion de surface libre du substrat poreux non recouverte par le masque, et pour s'assurer que le produit sera correcte-ment transporté de la zone d'injection ZI à la zone d'arrivée ZS. De même, il est avantageux de moduler la pression de vapeur autour du dispositif, de façon à contrôler l'évaporation du produit par la portion de surface libre non recouverte du substrat poreux. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits, et elle englobe toute variante restant dans le cadre des revendications. Notamment, d'autres substrats poreux que ceux décrits dans les exemples précédents peuvent être utilisés. De préférence, on choisira un matériau à pores intercon- nectés, avec une taille de pores de 1 à 1000 nanomètres, notamment de 10 à 210 nanomètres. Son épaisseur, quand il se présente sous forme de couche, est de préférence d'au moins 10 nanomètres et, par exemple, comprise entre 10 nanomètres et 50 000 nana- mètres. Elle est par exemple d'au plus 50 nanomètres ou d'au plus 500 nanomètres. Il peut être déposé sur un support sous forme de couche par tout type de procédé de fabrication de couches minces directement sur un support, par exemple par pyrolyse de précurseurs en phase liquide (incluant les dépôts par sol-gel), solide ou gazeuse, ou encore par des techniques de dépôt sous vide du type pulvérisation cathodique, réactive ou non et assistée ou non par champ magnétique. Il peut aussi, notamment s'il est sous forme de polymère poreux, être fabriqué sous forme de film qu'on vient ensuite solidariser à un support. On peut, toujours dans le cadre de l'invention, concevoir un substrat poreux sur une certaine épaisseur, et imperméable au produit sur le reste de son épaisseur : on a alors un substrat poreux avec son support intégré. Comme vu dans les exemples 1 et 2, le substrat poreux peut être en oxyde de silicium. Il peut, plus généralement, être en au moins un oxyde, nitrure ou carbure d'au moins un élément M choisi de préférence parmi le silicium Si, ou un métal, notamment Al, Ti, Zr et Ce, ou être produit d'un mélange d'au moins deux de ces pro- duits. On peut utiliser, par exemple, des mélanges d'oxycarbure et/ou d'oxynitrure de silicium et/ ou de métaux. Le matériau poreux, outre ce ou ces produits de type minéral, peut comprendre une certaine quantité de produits organiques plus ou moins polymérisés : On parle alors de matériaux hybrides ou nanocomposites. On peut aussi choisir des matériaux poreux en polymère, par exemple en PMMA (polyméthacrylate de méthyle) ou en PS (polystyrène), ou encore en PE (polyéthylène), seuls ou en mélange, notamment sous forme de copolymères blocs, ou encore en polymère contenant un squelette de produits comprenant des liaisons Si-O-Si. On peut également prévoir que le substrat poreux, quelle que soit sa composition chimique, puisse être fonctionnalisé en surface par des groupements organiques comportant au moins un atome de carbone et au moins un agent de couplage de type complexant tel qu'un phosphate, un acide carboxylique, ou de type un silane ou siloxane. Selon une variante de l'invention, on peut aussi prévoir que le substrat poreux comporte un empilement de couches poreuses de caractéristique(s) physicochimique(s) différente(s), cette configuration permet-tant, notamment, de différencier l'écoulement de différents produits d'un même produit, chaque produit présen- tant une affinité particulière pour une couche particulière de l'empilement, ce qui, de facto permet des variations de composition ou de porosité dans l'épaisseur du substrat poreux, comme évoqué plus haut. Le masque selon les exemples a été indiqué comme dépourvu de pores. Alternativement, il peut présenter des pores, mais qui sont choisis de taille inférieure aux pores du substrat poreux. Le substrat poreux a été présenté dans les exemples sous la forme d'une couche substantiellement plane déposée sur un support également plan. On pourra bien sûr utiliser un support qui ne soit pas plan, qui, par exemple, ait une surface sur laquelle la couche est déposée, qui soit courbe, convexe, concave, ondulée ..., la couche, de fait, adoptant le même profil. Même dans ce dernier cas de figure, le dispositif reste de fabrication plus simple que les micro-conduites massives ou les canaux de l'art antérieur. Le substrat poreux a de préférence une porosité d'au moins 10%, de préférence d'environ 30 à 60%. Le masque est de préférence plaqué sur la surface libre de la couche avec un contact direct substantielle-ment continu entre les deux matériaux. Cependant, on peut aussi envisager que le contact ne soit pas parfaitement continu sans que l'effet technique de l'invention, à sa- voir le cantonnement de l'écoulement du produit dans la zone sous-jacente au masque, soit sensiblement affecté, notamment si des bulles de vapeur de produit se trouvaient emprisonnées à l'interface entre couche et masque. Le masque peut dès lors être prévu amovible, ce qui est très avantageux : si on peut le poser sur le substrat poreux et le retirer sans affecter sensiblement ni l'intégrité de la couche ni celle du masque, on peut, en fonction du produit que l'on veut transporter, ou du trajet qu'on veut lui faire suivre, concevoir des jeux de couches poreuses et des jeux de masques, qu'on peut en-suite associer deux à deux en fonction des besoins. Et si la couche ou le masque présente des défauts, on peut la/le remplacer sans avoir à remplacer l'ensemble. Enfin, le dispositif selon l'invention peut ser- vir de moyen de convoyage de produits vers des dispositifs d'analyse distincts. Mais il peut aussi être conçu de façon à ce que, lors du transport du produit dans le substrat poreux, le produit subisse un traitement (comme une séparation de ses produits, comme on l'a mentionné plus haut avec la variante utilisant un empilement de couches en substrats poreux différents) ou une modification. Il peut s'agir, notamment, d'une séparation entre différents produits contenus dans le produit, ou d'une réaction de catalyse hétérogène des produits ou de l'un des produits contenus dans le produit. Dans ce cas, on prévoit donc que le dispositif de l'invention comprenne également des moyens de traitement ou les catalyseurs ad hoc. Le dispositif selon l'invention peut en outre comporter une enceinte à atmosphère contrôlée dans la quelle est disposé le substrat poreux. L'invention a également des procédés de mise en œuvre du dispositif, selon deux variantes alternatives Selon une première variante, on injecte le pro- duit à convoyer dans le substrat poreux sec. Le produit est convoyé sous forme liquide dans le substrat poreux sous le masque par capillarité, et s'évapore dans les portions de surface libres non recouvertes du substrat poreux, comme expliqué en détails ci-avant. Selon une deuxième variante d'utilisation, on imprègne le substrat poreux d'un solvant préalablement à l'injection dans celui-ci du produit à convoyer, produit soluble/miscible dans le solvant en question. Comme expliqué au début de la demande, le produit peut être pro- duit uniquement du produit pur que l'on veut convoyer, ou du produit - solide ou liquide - mis en solution dans un solvant (le même que le solvant servant à imprégner le substrat ou un autre solvant compatible-miscible avec celui-ci). L'imprégnation préalable du substrat poreux peut être réalisée par condensation capillaire, en plaçant le substrat dans une atmosphère riche en solvant puis en réduisant la pression relative du solvant après saturation de la couche afin de permettre l'évaporation. On attend que l'évaporation ne laisse subsister de solvant unique- ment dans les zones d'injection, de canalisation et d'arrivée. Le produit, soit pur, soit dans un solvant liquide, une fois injecté dans le substrat poreux, est convoyé dans le substrat sous le masque par osmose ou par diffusion à l'interface solide/liquide, le solvant impré- gnant initialement le substrat dans cette zone de canalisation de produit servant en quelque sorte de milieu de diffusion au produit ou au soluté sans être lui-même dé-placé : Le solvant résiduel définit des canaux liquides dans lesquels les produits injectés dans la zone d'injection vont pouvoir migrer par diffusion dans les canaux de solvant. REVENDICATIONS1. Dispositif micro-fluidique (1) pour convoyer un produit par diffusion dans un substrat poreux (2) d'une zone d'injection (ZI) de produit (F) à une zone d'arrivée (ZA) de produit reliées par une zone de canalisation de produit (ZE), caractérisé en ce que le substrat poreux présente une surface libre (4) qui est partielle-ment recouverte d'un masque (5,6,7) imperméable au pro- duit et qui s'étend de la zone d'injection (ZI) à la zone d'arrivée (ZA) pour définir dans le substrat la zone de canalisation de produit (ZE), de façon à permettre une évaporation du produit par une portion non recouverte (8,9) de la surface libre (4). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel le substrat poreux est une couche (2) rapportée sur un support (3) imperméable au produit (F). 3. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel le substrat poreux (2) présente des pores intercon- nectés, avec de préférence une taille de pores de 1 à 1000 nanomètres. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel le substrat poreux (2) a une épaisseur d'au moins 10 nanomètres, de préférence comprise entre 10 et 50 000 na- nomètres. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel le substrat poreux (2) comprend au moins un oxyde, nitrure ou carbure d'au moins un élément M choisi parmi le silicium Si, ou un métal, notamment Al, Ti, Zr et Ce, ou être produit d'un mélange d'au moins deux de ces pro- duits, ou encore un (des) (co)polymère(s) poreux . 6. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel le substrat poreux (2) a une porosité d'au moins 10%, de préférence d'environ 30 à 60%. 7. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel le substrat poreux est une couche (2) rapportée sur un support (3) et présente au moins une caractéristique physico-chimique variable dans la zone de canalisation de produit (ZE), de préférence selon le sens d'écoulement du produit (F), par exemple une variation d'épaisseur, et/ou une variation de porosité et/ou une variation de composition chimique. 8. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel le substrat en substrat poreux (2) comporte un empi- lement de couches poreuses de caractéristique(s) physico-chimique (s) différente(s). 9. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel le masque (5,6,7) est dépourvu de pores ou présente des pores de taille inférieure aux pores du substrat en substrat poreux (2). 10. Dispositif selon la revendication 1, dans le-quel le masque (5,6,7) comprend au moins un polysi-1 oxane (s) . 11. Dispositif selon la revendication 1, dans le- quel le masque (5,6,7) est amovible. 12. Dispositif selon la revendication 1, qui comprend des moyens de traitement du produit. 13. Procédé de mise en oeuvre du dispositif selon la revendication 1, dans lequel on injecte le produit à convoyer dans le substrat poreux sec. 14. Procédé de mise en oeuvre du dispositif selon la revendication 1, dans lequel on imprègne le substrat poreux d'un solvant préalablement à l'injection dans celui-ci du produit à convoyer, produit miscible avec ledit solvant.