Conception de systèmes de manipulation d’émulsions en microfluidique

Nous avons étudié les conditions de cassure d’une goutte individuelle lorsqu’elle traverse un embranchement microfluidique en construisant des critères à partir les variables locales de l’expérience l . On cherche maintenant à utiliser ces résultats pour manipuler des émulsions et en modifier les caractéristiques de façon contrôlée. Il faut alors pouvoir dimensionner un système pour se placer dans l’un ou l’autre de ces régimes. Il est donc important d’exprimer ces critères en terme de paramètres de contrôle de l’expérience que sont les pressions imposées aux bornes du dispositif et les caractéristiques de l’émulsion mère.Dans les expériences présentées ici, les pressions d’entrées et de sorties sont fixées. On mesure les vitesses d’écoulement ainsi que la taille des gouttes formées. On relève si la goutte casse ou reste entière lorsqu’elle traverse l’intersection. Si la goutte casse, comme expliqué au paragraphe 2.1, les canaux de sortie contiennent deux émulsions dont les tailles caractéristiques sont infé- rieures à celle de l’émulsion mère : cela correspond à un régime de fractionnement de l’émulsion. Si la goutte traverse l’embranchement en restant intacte, on obtient dans le canal principal une émulsion enrichie en phase dispersée : nous qualifions ce régime d’« enrichissement » de l’émulsion mère.

La figure 3.1 présente deux exemples de diagrammes de comportement dans l’espace {λ, C }.La frontière théorique entre les deux types de cassure est reportée en trait plein, selon l’équation 3.8. L’ajustement de la deuxième frontière est tracé en pointillés. Les deux systèmes ont les même dimensions et la même phase continue. En revanche, les gouttes du système B sont six fois plus visqueuses que celles du système A : elles sont composées d’un mélange à 50% en masse de glycérol et de la solution de fluorescéine. On remarque que la zone de cassure retardée est étendue : un doigt de même longueur mais plus visqueux a besoin de plus de temps pour Fig. 3.2: Superposition des diagrammes de comportement de goutte d’eau dans l’hexadécane pour différentes géométries décrites dans le tableau 3.1. La ligne pleine est tracée à partir de l’équation 3.8 : elle définit une condition suffisante de fractionnement. La ligne pointillée est tracée à partir d’une valeur moyenne pour les paramètres d’ajustement de l’équation 3.6 et sert de guide visuel.La figure 3.2 superpose les diagrammes de comportement de l’ensemble des expériences réalisées pour des gouttes d’eau sans glycerol. La hauteur des canaux est comprise entre 30 et 50 µm, la largeur du canal principal vaut 130 µm, celle du canal de dérivation varie de 30 à 70 µm.

La limite de l’ouverture d’un tunnel de phase continue est reportée en trait plein. Faisant office de guide visuel, une valeur extrême de la deuxième frontière est reportée en traits pointillés. On vérifie sur ce diagramme que la première limite est bien une condition suffisante de cassure : toutes les expériences situées dans le demi-espace supérieur donnent naissances à deux émulsions filles. On voit également qu’aux nombres capillaires de nos expériences, cette première frontière et la seconde sont relativement proches : on peut prendre le critère géométrique lNous disposons à présent de diagrammes de comportement en fonction des paramètres de contrôle. Si on connaît les pressions imposées, on peut prédire les caractéristiques des fluides contenus dans chacune des branches de sortie. En effectuant le raisonnement inverse, un tel diagramme nous permet de dimensionner un système qui a pour fonction soit de fractionner l’émulsion de façon contrôlée, soit de l’enrichir en phase dispersée.Comme nous l’avons souligné dans le paragraphe 2.1, la zone d’enrichissement du diagramme comporte une caractéristique intéressante : le canal de dérivation ne contient que de la phase continue. L’embranchement fait alors office d’extracteur de phase. Pour augmenter l’efficacité de l’extraction, on peut répéter l’opération en associant en série plusieurs intersections. La contrainte à respecter est de se situer, pour chaque dérivation, sous la courbe de rupture.

Dans la référence [53], Günther et al. présentent un extracteur de phase basé sur un principe similaire. Sans l’exprimer dans ces termes, ils choisissent de se situer pour chaque intersection en dessous de l’asymptote horizontale Ca = 1. Nous allons pour notre part illustrer l’intérêt de l’étude précédente en choisissant un mode d’extraction optimisée, permettant une extraction uniforme pour une large gamme de débits.)=67% du débit total : l’écart entre la valeur mesurée et la valeur de consigne est inférieur à 12%. Cette valeur est très satifaisante, puisque les dimensions du système ont été calculées pour un fluide de viscosité constante. Or la branche de sortie contient une trop grande quantité de gouttes pour que cette approximation soit quantitativement justifiée [72].