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

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.

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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