Interfaces, fluides complexes et microfluidique

Selon le domaine (énergies bas carbone, nanosciences pour les technologies de l'information et de la santé (RF-TIS), interaction rayonnement-matière) plusieurs équipes de l'IRAMIS sont impliquées sur cette thématique.

En nanosciences, les interfaces sont des lieux où l'auto-assemblage moléculaire ou de nanoparticules est particulièrement original comme à l'interface air-eau (films de Langmuir de peptides, adsorption ionique spécifique) ou à l'interface huile-eau (émulsions stabilisées par des nanoparticules minérales ou des copolymères). L'auto-assemblage y résulte d'un bilan d'énergie entre des termes volumiques et des énergies interfaciales.

Les équipes étudient aussi les transferts à travers ces interfaces (cinétique de transfert eau-huile pertinent pour le traitement de déchets) ou les structures formées cinétiquement par des assemblées d'interfaces (séparations de phases de copolymères blocs ou de solutions concentrées de polymères).

Les nouvelles sources de transformation d'énergie (thermoélectricité, photo-voltaïque) nécessitent aussi de maîtriser au mieux les transferts d'espèces (souvent chargées) aux interfaces.

Enfin la maitrise de procédés d'élaboration et d'assemblage de composants en microfluidique, trouveront de nombreuses applications :  réalisation de médicaments, thermoélectricité, récupération de chaleur, ...

 
#1051 - Màj : 10/10/2018
Domaines Techniques
La microfluidique est la science et la technologie des systèmes qui manipulent et transforment  de petites quantités de fluides (nanolitre à attolitre), en utilisant des canaux de quelques dizaines à plusieurs centaines de micromètres de dimension.  Depuis une décennie, la microfluidique est devenue un outil puissant  utilisé en recherche fondamentale et appliquée.
Microfluidique
Faits marquants scientifiques

Marguerite Léang, Didier Lairez, Fabrice Cousin, Frédérique Giorgiutti-Dauphiné, Ludovic Pauchard, Lay-Theng Lee

During evaporative drying of a colloidal dispersion, the structural behavior at the air-dispersion interface is of particular relevance to the understanding of the consolidation mechanism and the final structural and mechanical properties of the porous media. The drying-interface constitutes the region of initial drying-stress that, when accumulated over a critical thickness, leads to crack formation. This work presents an experimental study of top-down drying of colloidal silica dispersions with three different sizes (radius 5, 8 and 13 nm). Using specular neutron reflectivity, we focus on the structural evolution at the free drying-front of the dispersion with a macroscopic drying surface, and demonstrate the existence of a thick concentrated surface layer induced by heterogeneous evaporation. The reflectivity profile contains a strong structure peak due to scattering from particles in the interfacial region, from which the interparticle distance is deduced. A notable advantage of these measurements is the direct extraction of the corresponding dispersion concentration from the critical total reflection edge, providing a straightforward access to a structure-concentration relation during the drying process. The bulk reservoir of this experimental configuration renders it possible to verify the evaporation-diffusion balance to construct the surface layer and also to check reversibility of particle ordering. We follow the structural evolution of this surface layer from a sol to a soft wet-gel that is the precursor of a fragile skin, and the onset of significant particle aggregation that precedes formation of the wet-crust. Separate complementary measurements on the structural evolution in the bulk dispersion are also carried out by small angle neutron scattering, where the particle concentration is also extracted directly from the experimental curves. The two sets of data reveal similar structural evolution with concentration at the interface and in the bulk, and an increase in the degree of ordering with particle size.

https://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/acs.langmuir.8b03772

Par un procédé de microfluidique, une émulsion diphasique de gouttes d'huile dans un mélange eau-éthanol peut être stabilisée avec des nanoparticules de silice (émulsion de "Pickering"). Il est montré qu'en ajustant la concentration de nanoparticules monodisperse en taille, la stabilité de ce type d'émulsion modèle peut être maîtrisée, avec une taille de bulles bien définie et parfaitement contrôlée.

Des solutions savonneuses qui moussent, cela n’est pas extraordinaire ; une mousse de savon stable pendant plusieurs mois, même à 60°C, cela l’est davantage. Et d’autant plus, si cette mousse est élaborée par "chimie verte" à partir d’une substance naturelle. Enfin, cette mousse peut être rapidement détruite en modifiant simplement sa température, et ceci de façon réversible. C’est en résumé le travail réalisé par des équipes de l’INRA, du CEA et du CNRS, qui ouvre de nouvelles applications susceptibles d’intéresser les fabricants de cosmétiques ou de détergents. Les résultats de ces recherches sont publiés dans la revue Angewandte Chemie du 29 août.

Communiqué de presse commun CEA-CNRS

Les molécules qui constituent un fluide sont tellement petites et nombreuses qu’à notre échelle nous pouvons considérer les fluides comme des milieux continus. En est-il de même lorsque ces mêmes fluides circulent dans des canaux dont le diamètre n’excède pas quelques tailles moléculaires ? Des physiciens de Rennes (IPR), Saarbrücken, Saclay (Iramis/LLB) et Grenoble (ILL) ont ainsi montré que certains fluides constitués de molécules allongées, dites mésogènes, ne présentent plus les mêmes propriétés physiques si le diamètre du tube dans lequel on les place est de l’ordre de 10 nanomètres, soit trente fois le diamètre de ces molécules.

Pour effectuer ces expériences, les physiciens ont utilisé des canaux de plusieurs centaines de micromètres de longs, mais seulement 8 nm de diamètre, obtenus par attaque électrochimique de feuilles de silicium. Après oxydation de ces matériaux, ils ont obtenu des membranes de silice, parfaitement transparentes et percées d’une assemblée de nanocanaux. Par des mesures optiques, ils ont suivi les orientations préférentielles de molécules mésogènes, confinées par imprégnation dans les canaux. Ces molécules, impliquées dans la plupart des applications des cristaux liquides, s’alignent spontanément entre elles en dessous d’une température bien précise alors que leur orientation est quelconque au dessus de cette température. En outre, des mesures de diffusion des neutrons faites au LLB et à l'ILL, ont montré que dans un canal, les mouvements de rotation et de translation des molécules sont modifiés et dépendent de manière importante de l’endroit précis de l’échantillon où se place la molécule. Ces modifications devraient avoir un effet important sur la viscosité du fluide et ses propriétés de transport.

Les résultats de cette étude font l’objet de deux publications dans les revues Physical Review Letters et Physical Review E, Rapid Communication.

D. Sen, O. Spalla, O. Taché, P. Haltebourg, A. Thill

ESRF Highlights 2007

The synthesis of ordered, homogeneous porous grains is an expanding area of materials research. One strategy for their formation is to dry the spray of a complex mixture containing nanoparticles and templating agents [1]. In this process, a continuous flow of micrometric droplets, made from the initial dilute solution, is dried along a hot tube in order to evaporate the solvent. Self-organisation of the constituents takes place during the evaporation. Organic moieties can even be removed via further calcination. The local structure of the final grains strongly depends on the initial compositions. Small-angle X-ray scattering can be used to investigate the ordered structural features of the final spray-dried grains at the nanometric scale [2]. However, the morphology of the grains at a larger scale depends critically on the kinetics of drying.

Two different regimes may be distinguished for the solvent evaporation from a complex nanoparticles solution confined in a droplet. Firstly, when the evaporation front moves faster than the time required for a particle to diffuse on the length scale of the drop, the grains may be heterogeneous. The final grains can be doughnut-like or even core-shell with an empty space inside, which has sometimes been observed by scanning electron microscopy (SEM). Secondly, when the drying is slower than the characteristic diffusion time of the nanoparticles, the evaporation occurs in a quasi equilibrium distribution of the nanoparticles inside the droplet and the formation of a dense spherical grain is anticipated.

For a solution containing a mixture of 5 nm silica nanoparticles with 50 nm polybromostyrene sulfonate we found that a large proportion of doughnuts were obtained, even when a slow evaporation rate was used (Peclet number Pe = dif/evap = 0.01). One of the doughnuts is shown Figure 59. Together with the sphere-doughnut transition, the inner homogeneity of this type of material remains a crucial question for their further applications.

J. Pignat, J. Daillant, S. Cantin, F. Perrot, O. Konovalov

ESRF Highlights 2007

Langmuir films of long chain amphiphiles at the air-water interface present different phases depending on temperature and surface pressure (the difference between the surface tension of pure water and the actual surface tension in presence of the film = H20). Their phase transitions were first identified by isotherm measurements (surface pressure as a function of molecular area for a fixed temperature). The first grazing-incidence X-ray diffraction (GIXD) experiments carried out directly on monolayers at the air-water interface were reported in 1987 [1]. GIXD has now become the primary technique used to determine the structure of amphiphilic monolayers on water, allowing the determination of unit cell parameters, molecular tilt angle and azimuth of tilt direction. It is however generally considered that going beyond this simple unit cell characterisation is impossible.

J. Pignat1,2, J. Daillant1, F. Perrot2 et L. Leiserowitz3


1DSM/DRECAM/SCM/LIONS, CEA Saclay
2Laboratoire de Physicochimie des Polymère et Interfaces, Université de Cergy Pontoise
3Department of materials and interfaces - The Weizmann institute of Science, Rehovot, Israël

A l'interface entre l'air et l'eau, certaines molécules à la structure très particulière comme les acides gras (dont l'extrémité hydrophile est contact de l'eau, l'autre, hydrophobe, au contact de l'air), peuvent former des films flottants mono-moléculaires (une seule molécule d'épaisseur, ou film de Langmuir). Ces films sont étudiés depuis la fin du XIXème siècle avec des méthodes de plus en plus évoluées : de la cuve permettant de contrôler la densité des molécules, développée par Irving Langmuir, prix Nobel de chimie 1932, en passant par les études d'A. Barraud au CEA-Saclay (1980), à la diffraction de rayons X sous incidence rasante au début des années 90 [1].

 

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