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RÉSUMÉ
Apparue en 1990, la technologie microfluidique a ouvert des voies de compréhension de différents phénomènes dans des disciplines variées. Elle a en même temps permis de développer des nouveaux systèmes complexes pour de nouvelles applications. Cet article établit l’état de l’art de la microfluidique dans le domaine des émulsions (simples, multiples, de Pickering) et des systèmes colloïdaux complexes (microcapsules, microgels, vésicules), en partant d’une description des généralités dans chaque domaine jusqu’à détailler certaines applications.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Véronique NARDELLO-RATAJ : Ingénieur de l’École Supérieure de Chimie Organique et Minérale (ESCOM) - Docteur de l'Université de Lille 1 - Professeure à l’Université de Lille, - Laboratoire UCCS UMR 8181, 59655 Villeneuve d'Ascq, France
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Jesús Fermin ONTIVEROS : Ingénieur de l’École de Génie Chimique de l’Université des Andes (ULA), Vénézuela - Docteur de l'Université de Lille 1 - Maître de Conférences à l'École Nationale Supérieure de Chimie de Lille (ENSCL), Laboratoire UCCS UMR 8181, 59655 Villeneuve d'Ascq, France
INTRODUCTION
En 1960, Richard Feynman (prix Nobel de Physique 1965) publia un article à la suite d’une conférence avant-gardiste intitulé « There’s Plenty of Room at the Bottom » prévoyant une grande révolution dans les technologies de miniaturisation. Bien que cette miniaturisation avait déjà commencé dans les années 40 avec l’invention du transistor, les avancées dans le domaine étaient restreintes à l’électronique. Feynman imagina de nouveaux champs d’applications et le développement des procédés de fabrication des dispositifs miniaturisés, inspirés notamment des systèmes biologiques complexes. Les propos de Feynman commencent à prendre forme dès la fin des années 70, avec les recherches pour le développement de l’impression à jet d’encre et avec l’apparition en 1984 du premier microsystème électromécanique (MEMS). Les MEMS sont des dispositifs électromécaniques avec une taille micrométrique qui fonctionnent comme capteurs et/ou actionneurs. Le développement des techniques pour la réalisation de ces microsystèmes a ouvert le chemin, au début des années 90, à la manipulation des fluides à cette échelle et à la naissance de la microfluidique.
La microfluidique est une science en plein essor qui s’intéresse au comportement des fluides s’écoulant dans des canaux de dimensions micrométriques. L’idée de développer un « laboratoire sur puce » trouve de nombreuses applications notamment en biochimie et analyse médicale, mais aussi en chimie fine. La formation de gouttes de taille homogène et la maîtrise du transfert de masse et de quantité de mouvement à cette échelle ont amené les scientifiques à s’y intéresser pour diverses applications comme l’encapsulation, l’obtention de micro ou nanoparticules et de fibres, la synthèse organique qui utilise des réactifs toxiques (et dont les volumes à utiliser diminuent radicalement), entre autres.
On estime à 28 milliards de dollars le marché de la microfluidique en 2023. De nombreuses start-up, souvent liées à des groupes de recherche universitaires dans le domaine, ont vu le jour. Avec les développements de la microfluidique, à la fois pour comprendre des phénomènes fondamentaux (science) et envisager des nouvelles applications (technologie), de nombreux défis sont encore à relever, e.g. l’utilisation de matériaux peu coûteux et performants afin de rendre accessible l’utilisation des certains dispositifs ou la production à grande échelle des systèmes colloïdaux complexes.
Après un court rappel sur les généralités (grandeurs physiques, fabrication des puces) et les applications de la microfluidique, la formulation des émulsions (directes, inverses, multiples et de Pickering) ainsi que des microcapsules, microgels et vésicules est détaillée dans cet article.
Comme il est d'usage dans la profession, les pourcentages cités sont, sauf indication contraire, des teneurs volumiques.
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Émulsions multiples et émulsions de Pickering
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3. Microfluidique des dispersions de liquides non miscibles
Se reporter à l'article [J 2 158] pour une approche approfondie de la physicochimie de la formulation des émulsions avec la méthode de la Déviation Hydrophile-Lipophile (HLD).
La microfluidique permet la formation de dispersions gaz-liquide (bulles) ou liquide-liquide (gouttes). Les objectifs de l'étude de ces dispersions en microfluidique sont variés, tels que l’étude des réactions chimiques dans une goutte jouant le rôle d'un nanoréacteur individuel, la formulation d'émulsions, la synthèse de (nano)particules ou l’encapsulation, entre autres.
Une émulsion est une dispersion de deux liquides non miscibles dont la stabilité cinétique est assurée par des tensioactifs, des polymères ou des particules (on parle alors d'émulsions de Pickering). Thermodynamiquement, les émulsions sont des systèmes instables et au-delà d’un certain temps, les deux phases se séparent. La morphologie des émulsions (nature de la phase continue) à partir de l’agitation des systèmes contenant un tensioactif, une huile et de l’eau a été l’objet d’étude depuis des nombreuses années.
Les variables les plus importantes qui déterminent les propriétés des émulsions (morphologie, taille de goutte, viscosité et stabilité) sont les variables de formulation (nature du tensioactif, nature de l’huile, salinité, température, pH, nature et concentration des additives ajoutées tels que des alcools), de composition (pourcentage de tensioactif, rapport eau/huile) et de procédé (ordre d’ajout des composants, type d’agitateur, énergie de l’agitation, temps de pré-équilibration). Une émulsion peut changer de morphologie lors d’un phénomène connu dit d’inversion de phases. Si l’inversion est la conséquence d’un changement d’une variable de formulation comme la température, elle est dite transitionnelle. Si le changement à l’origine de l’inversion est une modification des variables de composition, i.e. addition d’eau...
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Microfluidique des dispersions de liquides non miscibles
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MANZ (A.), GRABER (N.), WIDMER (H.ÁM.) - Miniaturized total chemical analysis systems : a novel concept for chemical sensing. - Sens. Actuators B Chem., 1, 244-248 (1990).
-
(2) - MANZ (A.), MIYAHARA (Y.), MIURA (J.), WATANABE (Y.), MIYAGI (H.), SATO (K.) - Design of an open-tubular column liquid chromatograph using silicon chip technology. - Sens. Actuators B Chem., 1, 249-255 (1990).
-
(3) - WHITESIDES (G.M.) - The origins and the future of microfluidics. - Nature, 442, 368-73 (2006).
-
(4) - BEEBE (D.J.), MENSING (G.A.), WALKER (G.M.) - Physics and Applications of Microfluidics in Biology. - Annu. Rev. Biomed. Eng., 4, 261-286 (2002).
-
(5) - ATENCIA (J.), BEEBE (D.J.) - Controlled microfluidic interfaces. - Nature, 437, 648-55 (2005).
-
(6) - STONE (H.A.), STROOCK...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
CAPSUM.
DESCROIX Stéphanie, JULLIEN Marie Caroline, REYSSAT Mathilde. ESPCI. Les Conférences expérimentales. La microfluidique : une plomberie à l’échelle d’une puce.
Diagnostics for all.
Dolomite.
https://www.dolomite-microfluidics.com/
Groupement de recherche sur la micro et nanofluidique (GDR MNF).
https://www.gdrmicrofluidique.com/le-gdr/
Groupement de recherche sur la synthèse en flux (GDR Synth_Flux). En cours de construction.
Institut Pierre-Gilles de Gennes pour la microfluidique
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