Aspiration symétrique avec deux canaux à 90°

L’objectif de cette aspiration doublée est de soutirer la phase continue sans que les gouttes ne quittent le centre du canal principal, l’aspiration symétrique permettrait donc de se préserver de phénomènes de mouillage des gouttes sur la paroi dans la largeur du canal.

Le design de la plaque destinée à tester l’aspiration de la phase porteuse avec deux canaux symétriques avec un angle de 90° est représentée sur la figure V.15. Il comprend une zone d’aspiration en aval de l’arrivée des gouttes dans le système suivie d’une zone d’injection. Pour garder la symétrie du système, les capillaires d’aspiration sont placés dans les canaux secondaires à même distance (quelques centimètres) du canal principal.

Figure V.15 : Design du bloc d’essai pour l’aspiration symétrique de la phase porteuse : en trait plein, les canaux d’écoulement ; en pointillés les canaux de soudure.

Aspiration symétrique Arrivée des gouttes Sortie du système Injection symétrique

Les gouttes pénètrent toujours dans le système grâce à un capillaire de 180 microns. Le débit de phase continue est fixé à 8 mL/h et le débit de TPGDA à 100 μL/h. La sortie du système se fait dans ce cas par un trou percé dans le support. Un nanoport Upchurch couplé à un tube téflon centré sur ce trou permet ainsi de récupérer l’écoulement à la sortie du système.

Figure V.16 : Evolution du train de gouttes (eau 8 mL/h – TPGDA 100 μL/h) avec l’augmentation du débit de soutirage pour une aspiration double

La figure V.16 représente l’influence du débit d’aspiration sur l’écoulement à gouttes dans le canal principal. De 0 à 5 mL/h, la distance entre les gouttes est progressivement réduite. L’aspiration semble plus étagée que dans les configurations précédentes : visuellement, l’écart entre chaque goutte évolue régulièrement avec l’augmentation du débit de soutirage. Pour chaque débit d’aspiration, les gouttes restent bien au milieu du canal principal donc le soutirage de la phase continue est bien obtenu de façon symétrique par les deux canaux opposés. Au-delà de 5 mL/h, l’écoulement de gouttes est tellement ralenti que des irrégularités apparaissent au niveau de l’écoulement et quelques gouttes commencent à heurter la paroi inférieure du canal principal. Pour un débit de phase continue de 8 mL/h, il existe donc un débit limite d’aspiration à 5 mL/h.

Afin de tester l’influence de l’écart initial des gouttes sur l’aspiration de la phase porteuse, une nouvelle série de mesures avec un débit de TPGDA de 300 μL/h est effectuée. Les données récoltées sont exposées sur la figure V.17.

Sans aspiration 1.0 mL/h 2.0 mL/h 3.0 mL/h 4.0 mL/h 5.0 mL/h Sens de l’écoulement

Figure V.17 : Evolution du train de gouttes (eau 8 mL/h – TPGDA 300 μL/h) avec l’augmentation du débit de soutirage pour une aspiration double

Les gouttes générées à 300 μL/h sont de dimension plus importante et occupent donc une place plus grande dans le canal principal. Elles restent néanmoins bien centrées dans le canal et n’interagissent pas avec les parois. Comme pour la série à 100 μL/h, le soutirage de la phase continue est régulier avec l’augmentation de l’intensité de l’aspiration. A 5 mL/h, quelques perturbations apparaissent et l’écart entre les gouttes est visiblement un peu plus variable. Au-delà de 5 mL/h, l’écoulement induit devient instable et les gouttes commencent à coalescer.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 Débit d'aspiration (mL/h) V a ri a ti o n d e d is ta n ce (% ) 100 µL/h 300 µL/h

Figure V.18 : Comparaison du pouvoir d’aspiration de la phase continue (eau 8 mL/h) avec une aspiration symétrique sur deux écoulements à gouttes de TPGDA (100 et 300 μL/h)

1.0 mL/h 2.0 mL/h 3.0 mL/h 4.0 mL/h 5.0 mL/h Sens de l’écoulement

La figure V.18 rassemble et compare les effets de l’aspiration symétrique sur les deux séries de mesure à 100 μL/h et 300 μL/h. La réduction de l’écart entre les gouttes est mesurée en pourcentage par rapport à l’écart initial afin de comparer les deux séries. Dans cette configuration, la réduction de l’écart entre les gouttes apparait comme linéaire pour les deux séries. La variation du débit de phase dispersée n’affecte pas l’aspiration de la phase porteuse : malgré une réduction du tiers de la distance des gouttes, l’écart relatif dû à l’aspiration est pratiquement équivalent pour les deux séries de données. En outre, pour un débit de TPGDA de 100 ou 300 μL/h, le débit limite d’aspiration de la phase continue est de même intensité.

Le soutirage de la phase continue peut agir tout aussi bien sur des gouttes en amont du bloc de polymérisation ou sur des billes après passage sous la source UV. Ce module est nécessaire pour rapprocher les gouttes ou les billes entre elles et pouvoir ainsi modifier la fréquence de passage des émulsions ou des particules au sein d’un microsystème. La majeure partie des manipulations de soutirage sont effectuées sur des gouttes. A cause de l’affinité entre le TPGDA et la paroi hydrophobe, l’éclatement des gouttes sur la paroi est souvent observé. Les tests sur les gouttes évitent ainsi le bouchage complet du canal et allongent la durée de vie des microsystèmes fabriqués. Les différentes configurations testées sont efficaces pour la modification de l’écart entre les dispersions mais ont leur spécificité : les systèmes d’aspiration avec un seul canal ont une limite au- delà de laquelle les dispersions sont recueillies dans le canal d’aspiration. L’angle de 20° a une limite plus élevée et permet de rapprocher plus efficacement les dispersions qu’un angle de 90° mais présente plus de risque d’interaction avec la paroi du système. L’aspiration symétrique par deux canaux permet de garder gouttes (ou billes) dans l’axe du canal et les empêche d’être attirées dans les canaux de soutirage ; néanmoins, il existe aussi une limite d’aspiration pour cette configuration au-delà laquelle l’écoulement est trop ralenti et devient instable.