Controle optique de microgouttes
Résumé
One of the most important objectives of microfluidics is the development of laboratories on a chip (LOC), whose but is the construction of microchannels that are able to contain and automate the analytical work in biology or chemistry. In this technology, drops constitute attractive reaction chambers to contain the reagents of an analysis. The success of droplet based LOC relies in the development of techniques for the manipulation of drops. The objective of this thesis is the development of a technique to manipulate microdrops with a focused laser beam. In particular, this technique uses the laser heating to modify the flows by changing the physical properties of the fluids. In the case of a single drop, the heating induces a surface tension gradient, which creates a thermocapillary flow both inside and outside the drop. These flows originate a force that pushes the drop away from the laser beam. In a first part, this thesis shows the physical mechanisms below the establishment of this force and uses it to sort drops and store drops in an external flow. In a second part, the thermocapillary flows are temporally modulated to achieve the mixing of the drop contents in a drop held by the laser forcing. The laser heating is finally used to trigger the drop formation in a co-flow geometry. In this geometry, one liquid is injected inside an external liquid, both fluid flowing in parallel. The inner liquid forms a thread that breaks up into drops of disperse size. The laser, whse power is sinusoidally modulated, is used to modify the viscosity of the inner liquid, thus locally destabilizing the flow. This allows the control on the drop formation frequency and therefore on the drop size as a function of the laser frequency.
Un des plus importants objectifs de la microfluidique est le développement des laboratoires sur puce dont le but est de réaliser des microcanaux capables de contenir et d'automatiser des analyses biologiques et chimiques. Dans cette technologie, les gouttes constituent des microréacteurs mobiles, pouvant encapsuler les réactifs d'une analyse. Le succès des laboratoires sur puce bas'es sur les gouttes dépend du développement de techniques pour les manipuler. L'objectif de cette thèse est le développement d'une technique de manipulation de microgouttes avec un faisceau laser. En particulier, on utilise le chauffage produit par le laser pour modifier les écoulements en altérant localement les propriétés physiques des fluides. Dans le cas d'une goutte isolée, le chauffage induit un gradient de tension interfaciale, ce qui crée des écoulements thermocapillaires à l'intérieur et à l'extérieur de la goutte. Ces écoulements sont `a l'origine d'une force qui repousse la goutte du laser. Dans une première partie, cette thèse montre les mécanismes physiques derrière la création de cette force et l'utilise pour implémenter le tri ou la rétention des gouttes dans un écoulement externe. Dans une deuxième partie, les écoulements thermocapillaires sont modulés temporellement pour induire le mélange du contenu d'une goutte qui est tenue par le forçage laser. Le chauffage laser est finalement utilisé pour déclencher la déstabilisation d'un jet liquide dans une géométrie de ``co-flow''. Dans cette géométrie, un liquide est injecté à l'intérieur d'un liquide externe qui coule parallèlement. Le liquide interne forme un filet qui se case en gouttes de taille variée. Le laser, dont la puissance est modulée de manière sinusoïdale, est utilisé pour modifier la viscosité du liquide interne, ce qui induit une déstabilisation locale de l'écoulement. Ceci permet de contrôler la fréquence de formation des gouttes et en conséquence leur taille en fonction de la fréquence du laser.