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

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La microfluidique, une science en devenir,
quelques exemples dexpériences et dapplications

• Hervé Willaime
• Groupe Microfluidique Mems et Nanostructure
• UMR CNRS-ESPCI 7083
• herve.willaime_at_espci.fr

X-ENS-UPS Physique - 12 MAI 05
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Plan

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

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Quelques repères
1976 première imprimante à jets
dencre 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
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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 lenjeu est de pouvoir
répondre à la demande. Prévision dune grande
évolution de ses systèmes -gt grand enjeu
économique
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Lois déchelle
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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
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Puce à ADN
Les laboratoires sur puce De la société
Agilent- Caliper Permettent lidentification
dun brin dADN grace à une séparation.
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Les échelles sont bien adaptées à la
manipulation de certains objets...
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la montre qui nindique pas lheure
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Microfabrication

• Deux exemples.

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Technologie verre silicium(verre)
Attaque HF
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Technologie verre silicium(silicium et collage)
Résine
Gravure Profonde DRIE
Résine
Aluminium
Aluminium
Silicium
Silicium
Collage anodique
Verre
Silicium
Silicium
Verre
Microcanal
Silicium
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Technologie PDMS(soft lithography)(polydimethylsi
loxane)
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Comparaison des technologies

• 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

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Un peu de mécanique des fluides en microfluidique
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Equations de Navier-Stokes
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Les nombre de Reynolds sont petits dans les
microsystèmes
Re Ul/n l2
Equations de Stokes
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Microhydrodynamique
Régime de Stokes les termes inertiels sont
négligés
Lapproximation est acceptable dans la plupart
des cas
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Un élément important la résistance
hydrodynamique
Augmente,quand la taille du système diminue
Analogie avec l'électrocinétique
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LA MINIATURISATION BOULEVERSE LES
EQUILIBRES PHYSIQUES DE MANIERE SOUVENT
INTERESSANTE
Les imprimantes à jet dencre
2 mm
From C.J.Kim (UCLA) (1999)
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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
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Contrôle précis des gouttes
Précision de volume dune fraction de pL

• grande résolution dimpréssion
• utile pour spotter

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Déplacement de fluide

• Externe pousse seringue, pression.
• Pompage interne
• Mécanique microsystème, ou peristaltique
• Electroosmose

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Micropompe péristaltique

• Micropompe

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Pompe péristaltique (J. Goulpeau)
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Electroosmose (E. Brunet)pour séparation
électrophorétique
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Le mélange
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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
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Le mélange

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

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Réduction de système macroscopique géométrie
Tesla, un système peu efficace
Ecoulement
Mélange peu efficace dans le cas dun canal
microfluidique
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Mélange peu éfficace
Expérience faite par O Stern (2001)
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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
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Un mélangeur chaotique le principe de base
U
Application de la perturbation Etirement de la
ligne
U
U
Arrêt de la pertubation Repliement
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Simulations numériques
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• Micromélangeur actif

Augmentation de la vitesse de mélange
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Film A. Dodge fréquence croissante
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Langue de calme dans un océan de chaos
AMPLITUDE
FREQUENCY
F. Okkels, P.Tabeling, Phys.Rev.Lett.,92, 3 (2004)
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Mélange en gouttes (D. Weitz, Harvard)
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Les écoulements diphasiques

• Quelques jeux de gouttes

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En écoulement macroscopique structures typiques
obtenues
Dans la plupart des cas, pas deffet des
propriétés de mouillage des surfaces
Peu de sensibilité aux modes dinjections des
fluides.
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Système expérimental
Stereomicroscope
To a syringe pump
To a syringe pump
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Diagramme découlement Eau dans huile (avec du
tensioactif span 80)
eau
eau
Tetradecane span 80
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Comparaison sans et avec span 80
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Ces résultats montrent limportance 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 lon cherche à
obtenir dans les écoulements diphasiques.
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Anna,Bontout, Stone, Formation of dispersins
using flow-focussing in microchannels, Appl.
Phys. Lett (2003), 364-366
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Division de gouttes (D. Weitz, Harvard)
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Système expérimental principe du forçage
Canal découlement
PDMS
PDMS
VERRE
Actuation
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A très fort couplage

• Le système répond à la fréquence de forçage.
• Intérêt pour les applications

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Contrôle de la taille des gouttes
Film ralenti 3 fois
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Tout nest pas toujours si simple

• Accrochage de fréquences pour certaines gammes de
  fréquences de forçage
• réponse périodique

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(No Transcript)
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Spectres typiques
Fréquence naturelle démission
Freponse F forçage
Freponse F forçage/4
Régime chaotique
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Langues dArnold
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Langues dArnold
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Escalier du diable
couplage fort
Réponse du système en fonction du forçage
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Escalier du diable
Winding number average phase change per
iteration
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Réponse à un forçage externe

• synchronisation
• Fréponse/Fforçage m/n (nombre rationnel)
• Couplage faible
• Fréponse/Fforçage nombre irrationnel régime
  quasipériodique ou chaotique
• Couplage fort
• Synchronisation sur la fréquence de forçage
  Fréponse Fforçage

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Rustem F. Ismagilov, Univ. Chicago
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Conclusion
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LES SYSTEMES MICROFLUIDIQUES SONT INTERESSANTS,
PROBABLEMENT POUR 3 RAISONS
- La miniaturisation bouleverse les équilibres
physiques de manière souvent intéressante -
Microfluidique et parallélisme engendrent,
lorsquils sont associés, des systèmes parfois
étonnants - Il est nécessaire de maitriser les
écoulements pour élaborer des laboratoires sur
puce
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Miniaturization of electrophoretic separation
systems
Caliper
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MICROFLUIDIQUE ET PARALLELISME DONNENT LIEU
A DES SYSTEMES PARFOIS ETONNANTS
la cristallisation des protéines
Les opérations élémentaires
Chargement, compartimentage Mélange, purge.
(Quake et al, Science 2002)
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lab-on a chips, etc...
valves
enzyme
base
pump
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An elementary Lab-on-a-chip
LAB-ON A CHIP
BIOSITE
DIAGNOSES HEART ATTACK WITHIN 10 MN
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(No Transcript)