Comprendre la formation de minuscules gouttelettes dans les dispositifs microfluidiques

La physique détaillée derrière la génération de gouttelettes dans les dispositifs microfluidiques post-réseau a été clarifiée par des scientifiques de Tokyo Tech. Grâce à diverses expériences réalisées dans différentes conditions opérationnelles, ils ont acquis des connaissances importantes sur la manière dont ces petits appareils peuvent être utilisés pour produire des émulsions uniformes, avec des applications potentielles en chimie analytique et en biologie, en médecine, en cosmétique et en science des matériaux.

Les émulsions sont des mélanges de deux liquides insolubles, dans lesquels l’un des liquides existe sous forme de dispersion de petites gouttelettes dans l’autre. Ils sont assez courants dans la vie de tous les jours ; le lait, le beurre, les crèmes pour le visage, la peinture et le shampoing en sont des exemples familiers. Il est intéressant de noter que les émulsions jouent également un rôle important dans les applications en laboratoire dans divers domaines, notamment la chimie analytique, la recherche biomédicale et la science des matériaux, entre autres.

Dans la plupart des cas, ces applications bénéficient d’émulsions dans lesquelles les gouttelettes dispersées partagent une taille similaire, également appelées « émulsions monodispersées ». Les scientifiques sont à la recherche de méthodes de mélange efficaces permettant de produire de telles émulsions avec un degré élevé de contrôle. À cet égard, la microfluidique apparaît comme une approche prometteuse.

En particulier, les dispositifs microfluidiques post-réseau constituent un moyen intéressant d’obtenir des émulsions avec une taille de gouttelette souhaitée à haut débit. Ces dispositifs forcent d’infimes quantités d’émulsion brute à travers une série de poteaux régulièrement espacés. Ces poteaux brisent les gouttelettes existantes à l’impact jusqu’à obtenir une émulsion plus fine et plus monodispersée. Cependant, bien que le processus semble simple, la physique détaillée derrière les dispositifs microfluidiques post-réseau est complexe et mal comprise.

Dans une étude récente publié dans la revue Laboratoire sur puce, une équipe de recherche du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) au Japon a entrepris de combler ce manque de connaissances. L’équipe, comprenant le Dr Shuzo Masui et le professeur agrégé Takasi Nisisako, a mené une série d’expériences détaillées pour comprendre comment divers paramètres de conception et de fonctionnement des dispositifs post-réseau affectent les caractéristiques des émulsions obtenues. Notamment, cette étude a été sélectionnée pour l’image de couverture de la revue.

L’équipe a analysé les effets du débit, de la viscosité et de la proportion des deux liquides d’entrée sur la taille et l’uniformité des gouttelettes, ainsi que l’importance de la géométrie et des matériaux du réseau de poteaux. À cette fin, ils ont fabriqué plusieurs dispositifs microfluidiques post-réseau personnalisés en utilisant une technique connue sous le nom de lithographie douce. À l’aide d’une caméra vidéo à grande vitesse et d’algorithmes d’analyse d’images, les chercheurs ont pu quantifier avec précision la taille des gouttelettes et observer leur formation en détail.

Les résultats mettent en évidence l’importance du nombre capillaire effectif (Caeff) dans le dispositif post-réseau. En termes simples, Caeff est une mesure liée au phénomène de capillarité qui est calculée à partir de la viscosité, de la vitesse et de la tension superficielle des liquides entrants. “Nous avons constaté que les variations de la taille des gouttelettes augmentaient de niveaux quasi monodispersés à polydispersés lorsque Caeff dépassait une valeur seuil particulière en raison de l’augmentation de la taille relative des gouttelettes satellites ou secondaires”, explique le Dr Masui.

De plus, les chercheurs ont identifié deux modes distincts de rupture des gouttelettes qui pourraient être décrits par des équations similaires à celles utilisées pour les jonctions microfluidiques en T, qui sont relativement plus simples et bien étudiées en tant que type de dispositif de génération de gouttelettes.

Dans l’ensemble, les résultats de ces travaux mettent en lumière la physique derrière les dispositifs post-réseau. Ces connaissances seront essentielles pour améliorer leurs performances et leur applicabilité, comme l’observe le Dr Masui : « Notre étude contribue à la compréhension de la rupture des gouttelettes dans les dispositifs post-réseau et étend leurs propriétés uniques de génération de gouttelettes pour inclure un haut débit, une fraction élevée, des processus d’émulsification robustes et continus.

Ces efforts pourraient ouvrir la voie à une production efficace d’émulsions de haute qualité, conduisant non seulement à de meilleurs cosmétiques et peintures, mais également à des innovations en matière de synthèse chimique et matérielle et à des progrès scientifiques en biologie et en médecine grâce à la microfluidique avancée.