Angle de 20°

Le design de la plaque destinée à tester l’aspiration de phase porteuse avec un angle de 20° est représenté sur la figure V.2. Il comprend une zone d’aspiration à l’arrivée des gouttes dans le système, une zone d’injection et enfin une zone avec des aspirations consécutives. La valeur de l’angle est à l’origine choisie pour faciliter l’injection des fluides miscibles ou non miscibles dans le canal principal. L’angle de 20° au niveau de la gravure crée une zone un peu plus large au croisement avec le canal principal : la largeur du canal secondaire à l’intersection avec le canal principal fait à peu près deux fois le diamètre de ce dernier.

Figure V.2 : Design du bloc d’essai pour l’aspiration de la phase porteuse avec un angle de 20° par rapport au canal principal : en trait plein, les canaux d’écoulement ; en pointillés les canaux de soudure.

Les débits d’alimentation sont de 4 mL/h pour la solution aqueuse et de 100 μL/h pour la solution de TPGDA. Les gouttes entrent dans le microsystème par un capillaire de 180 microns placé dans la gravure et subissent un ralentissement du à l’élargissement de 180 microns à 400 microns. Elles s’écoulent au centre du canal jusqu’à la zone d’aspiration où elles subissent l’effet de l’élargissement du au canal secondaire en suivant les lignes de courant et sont donc légèrement attirées par l’embouchure du canal. L’aspiration de la phase porteuse est assurée par un capillaire situé quelques centimètres en amont du canal principal. Le débit de soutirage est augmenté progressivement jusqu’à ce que les gouttes soient aspirées dans le canal secondaire (figure V.3).

Figure V.3 : Evolution du train de gouttes (eau 4 mL/h – TPGDA 100 μL/h) avec l’augmentation du débit d’aspiration pour un angle de 20°

0.5 mL.h-1 1.0 mL.h-1 2.0 mL.h-1 3.0 mL.h-1 4.0 mL.h-1 4.0 mL.h-1 Aspiration Injection Aspirations successives Arrivée des gouttes Sortie du système

Dès que le pousse-seringue est en marche, il est nécessaire d’attendre 5 minutes que le régime s’installe pour les petits débits d’aspiration. De 0 à 3 mL/h, la distance entre les gouttes est réduite au fur et à mesure. Lorsque le ratio débit de phase continue sur débit d’aspiration est supérieur à 4, l’effet du soutirage est faible. A 3 mL/h, un état d’équilibre entre l’aspiration dans le canal secondaire et la poursuite des gouttes dans le canal principal est atteint. C’est à ce débit que les gouttes sont les plus proches de la paroi et peuvent entrer en contact et exploser sur la paroi comme en témoigne la trace noire sur la paroi droite du canal secondaire de la figure V.3 au débit de 3 mL/h. Au-delà de 3 mL/h, les gouttes sont automatiques aspirées dans le canal secondaire : quelques secondes après la mise en marche de l’aspiration à 4mL/h, les gouttes entrent dans le canal secondaire plutôt que de poursuivre dans le canal principal. Une fois le régime établi, la distance entre les gouttes dans le canal secondaire est plus petite qu’avant l’aspiration, signe qu’une petite partie du fluide porteur continue de s’écouler dans le canal principal. Le débit d’aspiration imposé par le pousse-seringues ne correspond donc pas parfaitement au débit d’aspiration effectif dans le canal principal.

Le même type de manipulation est ensuite réalisé pour un écoulement de billes toujours pour un débit de phase continue de 4 mL/h et un débit de phase dispersée de 100 μL/h. (Dans le cas de billes, dès que ces dernières pénètrent dans le canal secondaire, le sens de l’écoulement de la pompe d’aspiration est immédiatement inversé afin de ne pas obstruer le canal d’aspiration). Les différents écoulements obtenus avec l’augmentation du débit d’aspiration sont illustrés sur la figure V.4.

Figure V.4 : Evolution du train de billes (eau 4 mL/h – TPGDA 100 μL/h) avec l’augmentation du débit d’aspiration pour un angle de 20°

Entre 0 et 2 mL/h, la distance entre les billes est réduite avec l’augmentation progressive du débit d’aspiration. A 2 mL/h, la distance entre les billes est minimale : les billes sont très proches les unes des autres et vont parfois jusqu’à se toucher ; la distance entre le train de billes et la paroi inférieure du canal principal est très faible également, de même les billes frôlent la paroi du canal secondaire. Cet état est néanmoins instable puisqu’à la moindre irrégularité dans le débit ou le moindre contact avec

0.5 mL.h-1

1.0 mL.h-1

2.0 mL.h-1 1.5 mL.h-1

une paroi, le train de billes est brisé et elles s’écoulent en vrac sur toute la largeur du canal principal. Au-delà de 2 mL/h, les particules sont happées dans le canal secondaire.

Pour chacun des écoulements présentés ci-dessus, il existe donc un débit limite d’aspiration pour lequel les gouttes ou les billes ne sont pas entrainées dans le canal secondaire. Une petite différence est constatée au niveau de l’intensité du débit limite d’aspiration puisqu’il est légèrement inférieur à 3 mL/h pour les gouttes et légèrement inférieur à 2 mL/h pour les billes. La figure V.5 représente la variation de la distance par rapport à la distance initiale entre les gouttes (ou billes) en fonction du débit d’aspiration. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,5 1 1,5 2 2,5 Débit d'aspiration (mL/h) V a ri a ti o n de di st a n ce ( % ) gouttes billes

Figure V.5 : Comparaison du pouvoir d’aspiration entre un écoulement à gouttes et un écoulement à billes pour canal secondaire avec un angle de 20°

A même débit, l’aspiration est plus efficace pour les particules que pour les gouttes. Cette différence ainsi que celle notée entre les débits limite d’aspiration pour les billes et les gouttes peut en partie être due à l’écart initial entre deux gouttes (ou deux billes). Pour les particules, il est inférieur à l’écart entre deux gouttes quand il n’y a pas d’aspiration. Avec moins de distance entre chaque élément, il est donc plus simple d’atteindre le débit d’aspiration limite. D’autre part, le comportement des gouttes ou des billes dans la phase porteuse est différent puisque les propriétés physico-chimiques d’une goutte ont changé avec le passage à la phase solide (notamment la masse volumique de chaque élément). En outre, la goutte est plus élastique pouvant être localement déformée par l’aspiration alors que la particule rigide ne subira aucune déformation.