Production d’une goutte unique

Les techniques pr´esent´ees dans la section pr´ec´edente sont dites passives car aucun contrˆole temporel n’est effectu´e sur les d´ebits ou pressions impos´e(e)s. Ici je pr´esente une m´ethode active permettant de contrˆoler la pression impos´ee `a

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0 t

Fermeture vanne

Figure_{2.11: Illustration de la versatilit´e du syst`eme de gouttes `a la demande.} 3 gouttes de mˆeme taille sont cr´e´ees `a la jonction en T en appliquant une s´e- quence d’ouverture et de fermeture `a la vanne pneumatique. Les distances inter- particule peuvent ˆetre modifi´ees sans changement de la taille des gouttes. Barre d’´echelle : 300µm - R. Jeanneret, 2010.

la phase dispers´ee afin de d´ecoupler fr´equence d’´emission et volume des gouttes cr´e´ees et de s’affranchir d’un ´eventuel r´egime transitoire.

Le principe est de placer sur le trajet de la phase dispers´ee en amont du g´en´erateur de gouttes (une jonction en T pour mes exp´eriences) une vanne microfluidique permettant d’ouvrir et de fermer le canal par lequel s’´ecoule ce liquide. Un sch´ema et une photographie de ces vannes, extraits de [4], sont repr´esent´es figure 2.10. Ces vannes sont constitu´ees de 2 couches de PDMS. Une premi`ere couche tr`es fine contient le canal fluidique (en rouge) tandis que l’autre couche contient le canal de contrˆole (en vert). Ce canal de contrˆole est en fait une ouverture droite sans sortie. L’application d’une pression dans cette impasse va donc d´eformer le canal de contrˆole et appuyer sur la membrane de PDMS s´eparant les 2 canaux ce qui implique la fermeture du canal fluidique. Pour une fermeture optimale, les diff´erentes tailles des canaux et de la membrane doivent ˆetre correctement ajust´ees et le canal fluidique doit avoir une section semi-elliptique. Une section rectangulaire pour ce canal induirait la formation de goutti`eres sur les bords synonyme de fuites de liquide, incompatibles avec l’objectif de cr´eation contrˆol´ee de gouttes. La technique de fabrication de ces vannes est d´ecrite en annexe 2.5.1.

Ainsi la pr´esence de cette vanne sur le trajet de la phase dispers´ee permet de couper et de r´etablir son d´ebit induisant un contrˆole total sur les gouttes form´ees au niveau de la jonction en T. Le temps d’ouverture de la vanne fixe la taille des gouttes obtenues et le temps de fermeture d´etermine la fr´equence de production en fonction du d´ebit impos´e `a la phase continue. Il est alors possible de produire un train de gouttes monodisperses de taille finie avec des distances inter-particules ind´ependantes les unes des autres. Ceci est illustr´e par la figure 2.11, o`u une s´equence d’ouverture et fermeture de la vanne microfluidique donne lieu `a un train de 3 gouttes non p´eriodique. Ce syst`eme exp´erimental est donc

Phase Dispersée Phase Dispersée Phase Dispersée Phase Continue Phase Continue Phase Continue ON OFF ON Goutte “Satellite”

(a)

(b)

(c)

A

B

C

Figure <sub>2.12: Formation de gouttes satellites due `a l’´elasticit´e du PDMS. A.</sub> Le syst`eme est au repos et `a l’arrˆet. Vanne ferm´ee. B. S´equence d’ouver- ture/fermeture de la vanne. Les gouttes sont fabriqu´ees `a la jonction en T. Le canal en T s’´elargit du fait de la diff´erence de pression impos´ee rapidement. C. Vanne ferm´ee. Le canal en T retrouve sa forme initiale, ce qui induit la formation d’une goutte satellite. Figure extraite de [15].

id´eal pour notre ´etude sur le trafic de particules (voir chapitre 5) o`u notre but est d’injecter dans un r´eseau unidimensionnel de boucles seulement 3 gouttes de mˆeme taille avec des distances inter-particules contrˆolables.

Concernant la fabrication, ces vannes microfluidiques sont externalis´ees et coll´ees sur une entr´ee du dispositif principal d’´etude. Ceci a plusieurs avantages : - Le design des circuits microfluidiques peut se faire sans se soucier de l’in- t´egration d’une vanne.

- Les vannes ´etant faites en PDMS cela permet de travailler avec des dispo- sitifs rigides de type stickers microfluidiques. Il est d’ailleurs indispensable de travailler avec des dispositifs rigides pour avoir des g´en´erateurs de gouttes `a la demande efficaces. En effet, si les temps de relaxation du mat´eriau sont impor- tants, on peut induire la formation d’une goutte satellite lors de la fermeture de la vanne, voir figure 2.12. Lors de la premi`ere ouverture de la vanne micro- fluidique permettant la cr´eation de gouttes, la surpression dans la jonction en T passe de 0 `a quelques centaines de millibars en quelques millisecondes. Si cette jonction en T est faite en PDMS par exemple, les bords vont se d´eformer cons´e- quemment afin d’absorber ´elastiquement l’´energie impos´ee au syst`eme. Ce canal va garder cette forme d´eform´ee lors de toute la s´equence d’ouverture/fermeture de la vanne permettant la cr´eation de gouttes, car il n’aura pas le temps de relaxer entre 2 ouvertures. Lorsque la vanne est ferm´ee `a la fin de la production de la s´equence de gouttes, le canal relaxe ce qui induit un flux de liquide dans la jonction en T cr´eant une goutte satellite dans le syst`eme. Ce potentiel probl`eme ´etait `a ´eviter absolument pour notre ´etude de la dynamique de 3 gouttes dans un r´eseau unidimensionnel de boucles.

- La fabrication des vannes se fait de mani`ere totalement ind´ependante des autres outils, id´eal pour une production massive et exceptionnelle. Cette fabri-

cation des vannes ´etant en effet relativement longue, ce dernier point engendre un gain de temps non-n´egligeable.

Ce syst`eme de gouttes `a la demande poss`ede tout de mˆeme une limitation concernant la fr´equence d’´emission des gouttes. La pression impos´ee au canal de contrˆole est g´en´eralement de 1 bar. Cela suffit pour bien fermer la vanne aux pressions utilis´ees pour injecter les fluides (autour de 500 millibars). Ce canal de contrˆole est rempli d’eau plutˆot que d’air afin d’obtenir des meilleurs temps de r´eponse. L’ouverture et fermeture de la vanne PDMS se fait grˆace `a une vanne sol´eno¨ıde (Lee valve LHDA1211115), qui a des temps de r´eponse de l’ordre de la milliseconde. Le point limitant de ces vannes microfluidiques r´eside en fait dans leur conception. Le principe est de d´eformer un mat´eriau mou, le PDMS, afin d’obstruer un canal fluidique. Les temps de relaxation de ce mat´e- riau mou sont donc relativement importants. Le temps de r´eponse de fermeture ou d’ouverture de la vanne est en effet de l’ordre de ∼ 50 ms. La fr´equence maximale de production de gouttes est donc d’environ 10Hz. Cette limitation n’a pas eu d’influence sur nos travaux concernant le trafic de particules. En effet, dans cette ´etude et dans les r´egimes sond´es, la dynamique ne d´epend pas de la vitesse moyenne des gouttes (voir chapitre 5). Ainsi la formation des gouttes peut se faire relativement lentement en imposant un d´ebit `a la phase continue assez faible et des temps d’ouverture et fermeture de la vanne sup´erieurs `a 50ms.

J’ai donc pr´esent´e dans ces 2 derni`eres sections diff´erentes techniques micro- fluidiques n´ecessaires `a la mise en place de mes exp´eriences de fa¸con g´en´erale. La section suivante est focalis´ee quant `a elle sur les sp´ecificit´es de l’exp´erience d’´echo et leurs cons´equences sur la mani`ere dont le syst`eme exp´erimental a ´et´e finalis´e.