Piégeage des bulles

Une fois les bulles relâchées dans le canal d’observation, celles-ci sont advectées par le

flux de liquide. Pour pouvoir observer le comportement des bulles sous ultrasons sur des

temps longs, il faut donc être capable d’immobiliser une, voire plusieurs bulles.

Pour ce faire, nous avons utilisé le système d’ancrage capillaire développé par Abbyad

et al. dans le cas de gouttes d’eau dans de l’huile [Abbyad et al., 2011], mais qui est

également applicable à des bulles, tant qu’un film de mouillage existe entre la bulle et les

parois du canal.

Le principe est le suivant : à volume égal, une bulle écrasée entre les deux murs

d’un canal a une aire plus importante qu’une bulle non confinée. Par conséquent, comme

l’énergie de surface est proportionnelle à l’aire de la bulle, la bulle en forme de pancake

2. D’après [Dangla et al., 2013], la forme d’équilibre de l’interface air/liquide loin des murs du canal est une surface à courbure moyenne constante : il s’agit donc plus exactement d’une surface de Delaunay, qui en première approximation donne cette forme semi-circulaire.

42 Production, excitation et observation de microbulles confinées

aura une énergie de surface supérieure à la bulle sphérique. Supposons maintenant qu’en

un endroit du canal, la hauteur du canal augmente. Il peut par exemple s’agir d’un trou

cylindrique dans une des parois du canal. Si la bulle en forme de pancake passe au-dessus

ou en-dessous de ce trou, la surface de la bulle va se déformer au niveau du trou, donnant

lieu à une calotte sphérique dans le cas oùd/h≤2, ou à un remplissage du trou dans le

casd/h >2 [Dangla et al., 2011],détant le diamètre du trou (voir figure II.3a). Dans les

deux cas, cela induit une diminution de l’énergie de surface et a pour effet de retenir la

bulle là où le canal est le moins resserré.

d ^h

e

FigureII.3 –

(a) Vue schématique d’une bulle de rayonR0ancrée sur un trou de diamètredet

de profondeure; (b) Photo (vue de dessus) de bulles ancrées sur un réseau triangulaire de trous

de pasD= 250µm, pour un débit de liquideQ_l= 100µL/min. Le contour des bulles apparaît en

noir, tandis que les trous vides apparaissent en gris clair du fait de la faible différence d’indice de réfraction entre le PDMS et l’eau.

La bulle est également soumise à la force de traînée exercée par le liquide en

mou-vement. La force capillaire et la force de traînée vont donc entrer en compétition, et on

peut montrer qu’au-delà d’un certain débit de liquide, la bulle va se détacher de son trou

d’ancrage. Ce débit critiqueQ

c

va dépendre à la fois du diamètreddu trou, de la hauteur

hdu canal et du rayon R

0

de la bulle. On a plus précisément :

Q

_c

∝ ^σhW

η

h

R

2

S

d

h

,

oùS(x) est une fonction dex valable pour 0< x≤2, dont l’expression détaillée est :

S(x) = ^x₂ − 4

3x

 

1− 1−^x

2

4

!3/2 

.

S(x) est une fonction positive et croissante. Ainsi, une augmentation du diamètre du

trou conduira à une augmentation du débit critiqueQ

_c

.

Dans notre puce microfluidique, nous avons introduit des trous de diamètred= 40µm

et de profondeure= 40µm au niveau du canal d’observation. La figure II.3b est une vue

de dessus d’un réseau triangulaire de trous sur lesquels des bulles ont été piégées. Les

trous apparaissent en clair, alors que la paroi des bulles apparait sombre. Pour que le

1 La puce microfluidique 43

supérieur au débit permettant la production des bulles. C’est le cas pour la gamme de

débits utilisée ici. Ainsi, il est possible d’immobiliser autant de bulles que l’on souhaite

aux emplacements souhaités.

Dans la pratique, la concentration de bulles en sortie du flow-focusing est plus

impor-tante au centre du canal d’observation que sur les côtés. Ainsi, les trous situés au centre

du canal sont les premiers à capturer des bulles. Pour que les trous situés sur les côtés

puissent capturer une bulle, il faut que des bulles soient déviées sur les côtés. Cela peut

se produire soit quand le taux de production des bulles est suffisamment important pour

que les bulles se répartissent quasi-homogènement sur la largeur du canal, soit quand un

dispositif de plots est mis en sortie du flow-focusing pour répartir les bulles uniformément

selon la largeur du canal.

Concernant la fabrication du canal, la plaque de trous est assemblée par plasma O

2

avec la plaque comportant le microcanal, de sorte à ce que les trous se situent au milieu

du canal d’observation. Pour faciliter l’alignement des deux plaques, des petites encoches

ont été ajoutées sur les bords des deux plaques. Le procédé complet de fabrication est

décrit en annexe A.

44 Production, excitation et observation de microbulles confinées

2 Excitation acoustique et détection des modes de

vibration

Dans notre géométrie confinée, il n’est pas évident de combiner à la fois une excitation

acoustique des bulles et une détection acoustique et/ou optique de leur vibration. En effet,

le canal doit rester horizontal pour éviter que la poussée d’Archimède ne rentre en jeu, ce

qui contraint fortement le reste de notre système. Dans cette section, nous exposerons les

deux dispositifs expérimentaux qui ont été envisagés, et nous discuterons leurs avantages

et inconvénients.

Dans le document Oscillations couplées de microbulles sous champ ultrasonore et conséquences hydrodynamiques (Page 42-45)