La microfluidique, une science en devenir, quelques exemples d’expériences et d’applications

1. La microfluidique, une science en devenir, quelques exemples d’expériences et d’applications Hervé Willaime Groupe Microfluidique Mems et Nanostructure UMR CNRS-ESPCI 7083 herve.willaime@espci.fr X-ENS-UPS Physique - 12 MAI 05

2. Plan • Introduction • Quelques notions de microfabrication • La fluidique à petite échelle à travers des expériences de laboratoire • conclusion

3. Quelques repères 1976 : première imprimante à jets d’encre 1990 : premier chromatographe liquide (Manz et al) concept de mTAS (Manz, Graber, Widmer, Sens.Actuator, 1991) 1990 -1998 : Premiers systèmes élémentaire en microfluidique (micromixeurs, microréacteurs, système de séparation...) 1998-2004 : Apparition de la «  soft lithography technology », qui a renforcé le domaine. Différents systèmes avec différentes technologies

4. La microfluidique est utilisée de façon croissante dans un grand nombre de domaines - industrie alimentaire - chimie - Biotechnologie - industrie pétrolière - … Dans ces domaines, les systèmes microfluidiques de complexité variable sont nécessaires, et l’enjeu est de pouvoir répondre à la demande. Prévision d’une grande évolution de ses systèmes -> grand enjeu économique

5. Lois d’échelle

6. les transferts dans les réactions chimiques (Source : C. Delattre, MIT, MTL) Les transferts thermiques sont plus faciles dans les systèmes Microfluidiques, et la sélectivité des processus est meilleure

7. Puce à ADN Les laboratoires sur puce De la société Agilent- Caliper Permettent l’identification d’un brin d’ADN grace à une séparation.

8. Les échelles sont bien adaptées à la manipulation de certains objets...

9. la montre qui n’indique pas l’heure

10. Microfabrication Deux exemples.

11. Verre Canal Résine Résine Résine Or Or Or Or Chrome Chrome Chrome Chrome Verre Verre Verre Verre Masque Résine Canal Or Chrome Verre Verre Technologie verre silicium(verre) Attaque HF

12. Technologie verre silicium(silicium et collage) Résine Gravure Profonde DRIE Résine Aluminium Aluminium Silicium Silicium Collage anodique Verre Silicium Silicium Verre Microcanal Silicium

13. Monocouche Bicouche P Système de pompage externe Pompage et actuation intégrée Technologie PDMS(soft lithography)(polydimethylsiloxane)

14. PDMS Biocompatible Peu coûteux, rapide à concevoir Courte durée de vie Absorbe solvant matériau mou : avantages et inconvénients Silicium/verre Rigide Géométrie bien contrôlée nombreux traitements de surface Compatible avec solvant Comparaison des technologies

15. Un peu de mécanique des fluides en microfluidique

16. Equations de Navier-Stokes

17. Les nombre de Reynolds sont petits dans les microsystèmes Re = Ul/n ~ l2 Equations de Stokes

18. Microhydrodynamique Régime de Stokes : les termes inertiels sont négligés L’approximation est acceptable dans la plupart des cas

19. Un élément important : la résistance hydrodynamique Augmente,quand la taille du système diminue Analogie avec l'électrocinétique

20. LA MINIATURISATION BOULEVERSE LES EQUILIBRES PHYSIQUES DE MANIERE SOUVENT INTERESSANTE Les imprimantes à jet d’encre 2 mm From C.J.Kim (UCLA) (1999)

21. Analyse d ’un microjet À l ’aide de nombres sans dimensions Conclusion : le jet est laminaire (donc facilement contrôlable), les gouttes sont sphériques et la gravité est négligeable

22. a b c Gouttes de qq µm de diamètre Émises à 30kHz d Contrôle précis des gouttes Précision de volume d’une fraction de pL • grande résolution d’impréssion • utile pour ‘spotter’

23. Déplacement de fluide • Externe : pousse seringue, pression. • Pompage interne : • Mécanique : microsystème, ou peristaltique • Electroosmose…

24. Micropompe P P P P P Micropompe péristaltique

25. Pompe péristaltique (J. Goulpeau)

26. Electroosmose (E. Brunet)pour séparation électrophorétique

27. Le mélange

28. Le temps de diffusion pour un canal de 100µm de large (pour une molécule comme la fluoréscéïne) : Ce temps peut être trop long en particulier pour faire plusieurs réactions chimiques sur la même puce

29. Le mélange • Faible Reynolds, pas de répime turbulent, la diffusion est insuffisante • Nécessité d’activer le mélange, plusieurs idées plus ou moins surprenantes : • Mélange chaotique (nombreuses méthodes) • Champ électrique, ultrason • Membranes oscillantes • Mélange intra-gouttes • Bactéries avec flagelles.

30. Réduction de système macroscopique : géométrie Tesla, un système peu efficace Ecoulement Mélange peu efficace dans le cas d’un canal microfluidique

31. Mélange peu éfficace Expérience faite par O Stern (2001)

32. Mélangeur ‘passif’ Stroock, A.D.; Dertinger, S.K.W.; Ajdari, A.; Mezic, I.; Stone, H.A. and Whitesides, G.M. Chaotic mixer formicrochannels. Science, 2002, 295, 647-651

33. Un mélangeur chaotique : le principe de base U U Application de la perturbation Etirement de la ligne U Arrêt de la pertubation Repliement

34. Simulations numériques

35. Pression Eau + Glycerol + Fluorescéine ~ : ~ 10 X : Canaux d’actuation 200 μm Flux de la perturbation 100 μm ~ : ~ : Eau + Glycerol Augmentation de la vitesse de mélange Micromélangeur actif

36. Film A. Dodge : fréquence croissante

37. F=L/Ltrian-1 Langue de ‘calme’ dans un océan de chaos AMPLITUDE FREQUENCY F. Okkels, P.Tabeling, Phys.Rev.Lett.,92, 3 (2004)

38. Mélange en gouttes (D. Weitz, Harvard)

39. Les écoulements diphasiques Quelques jeux de gouttes

40. En écoulement macroscopique : structures typiques obtenues Dans la plupart des cas, pas d’effet des propriétés de mouillage des surfaces Peu de sensibilité aux modes d’injections des fluides.

41. Système expérimental Stereomicroscope To a syringe pump To a syringe pump

42. Diagramme d’écoulement : Eau dans huile (avec du tensioactif : span 80) eau eau Tetradecane + span 80

43. Comparaison sans et avec span 80

44. Ces résultats montrent l’importance des forces capillaires dans les écoulements diphasiques en microfluidique comme le montre le nombre capillaire Ca ~ mU/g ~ l2 La maîtrise des propriétés de mouillage permet de contrôler les structures que l’on cherche à obtenir dans les écoulements diphasiques.

45. Anna,Bontout, Stone, Formation of dispersins using flow-focussing in microchannels, Appl. Phys. Lett (2003), 364-366

46. Division de gouttes (D. Weitz, Harvard)

47. P Système expérimental : principe du forçage Canal d’écoulement PDMS PDMS VERRE Actuation

48. A très fort couplage Le système répond à la fréquence de forçage. Intérêt pour les applications

49. Contrôle de la taille des gouttes Film ralenti 3 fois

50. Tout n’est pas toujours si simple • Accrochage de fréquences pour certaines gammes de fréquences de forçage : réponse périodique