Rapport de stage -

Pol Grasland-Mongrain

Stage du 29 mai au 29 juin 2007

Sujet : Génération et contrôle d’émulsions multiples en microfluidique

Laboratoire de Microfluidique, MEMs et Nanostructures

ESPCI, 10 rue Vauquelin, 75005 Paris - UMR 7083 -

Maître de stage : Hervé Willaime, chargé de recherche (herve.willaime@espci.fr)

Remerciements particuliers :

Hervé Willaime, Nicolas Panacci, Yves Hennequin et Patrick Tabeling

RRAAPPPPOORRTT DDEE SSTTAAGGEE

I/ Présentation du laboratoire et de l’équipe d’accueil

Le laboratoire où s’effectue mon stage se nomme « Microfluidique, MEMS et

Nanostructures ».

Il s’agit d’un laboratoire installé depuis 5 ans à

l’ESPCI - auparavant, il se trouvait à l’ENS d’Ulm

depuis sa création en 2001. Il dispose de moyens

importants : matériel perfectionné, salle blanche de

40 m², personnel impliqué (1 directeur de

recherche, 1 chargé de recherche, 3 post-docs, 4

thésards, et divers stagiaires dont 1 provenant

d’Harvard).

Mon maître de stage, Hervé Willaime, n’a pas pu être très présent lors de mon stage,

et donc Nicolas Pannacci et Yves Hennequin, 2 post-docs, m’ont supervisé lorsqu’il

n’était pas là. Le directeur du laboratoire, Patrick Tabeling, s’est également montré

intéressé par mes recherches et m’a conseillé sur plusieurs points.

Le laboratoire de MMN s’intéresse principalement à la Microfluidique, et notamment

aux émulsions.

Un MEMS, ou microsystème électromécanique, est un microsystème comprenant un

ou plusieurs éléments mécaniques alimentés électriquement, qui possède une

fonction de capteur et/ou d'actionneur, la structure étant à l’échelle micrométrique.

Les Nanostructures étaient très étudiées à la création du labo, mais sont un peu

laissées de côté en ce moment.

L’un des axes de recherche principaux du

laboratoire est de parvenir à comprendre et

à réaliser le phénomène d’émulsion ; et

notamment réussir à faire des gouttelettes

d’eau dans des gouttes l’huile, le tout

s’écoulant dans de l’eau (c'est-à-dire faire

une encapsulation). Le laboratoire de

Microfluidique d’Harvard aux Etats-Unis

effectue également des recherches dans ce

domaine. Les travaux sont bien avancés, et

les résultats sont impressionnants (voir

photo 1).

Photo 1 : Exemples de double-encapsulations

de plusieurs fluides non miscibles

Ils utilisent une géométrie 3D pour mélanger les

fluides (voir schéma 1).

Cependant, si efficace soit-elle, cette technique

présente un inconvénient de taille : sa géométrie

relativement complexe empêche de changer d’échelle

et donc on ne peut pas passer à une application

industrielle.

Le labo MMN de l’ESPCI étudie actuellement une géométrie 2D qui permet ce

changement d’échelle, car on peut alors paralléliser dans une direction les circuits.

Ces recherches sont importantes, car la microfluidique est utilisée de façon croissante

dans un grand nombre de domaines, comme l’industrie alimentaire, la chimie, la

biotechnologie, l’industrie pétrolière… Ainsi, des entreprises comme Schlumberger

ou Unilever s’intéressent de près aux travaux du laboratoire. Dans ces domaines, on

a besoin de systèmes microfluidiques de complexité variable, et il faut pouvoir

répondre à la demande.

II/ Fonctionnement général

J’ai eu la chance d’être assez autonome dans ce laboratoire. Je disposais d’une table

de travail avec microscope et caméra reliés à un ordinateur.

Tout le long du stage j’ai tenu un cahier de laboratoire personnel (deux cahiers

remplis au total…) où j’ai précisé avec détail mes manipulations, conditions

expérimentales, résultats et observations – mes expériences étant généralement assez

délicates …

J’ai souvent travaillé en salle blanche dans la

deuxième période du stage, car la présence de

poussière dans mes circuits faussent facilement

les résultats, et je pouvais y travailler sous une

hotte à acide.

Afin de réaliser librement mes expériences, on m’a montré

quelques de manipulation de bases : comment fabriquer des

circuits de poly(diméthylsiloxane) (PDMS : voir formule

chimique) à partir de moules, comment injecter des fluides dans

les canaux… ; j’ai pu compléter plus tard avec des

manipulations plus sophistiquées lorsque j’en avais besoin. J’ai

alors fabriqué des circuits quasiment tous les jours.

D’autre part, j’ai fait un compte rendu régulier de mes travaux

auprès de ceux qui m’encadraient (Hervé, Nicolas, Yves ou

Patrick) ; j’ai d’ailleurs tenu deux grosses réunions avec eux. Enfin, j’ai présenté mon

travail la dernière semaine à l’ensemble du personnel du labo.

Schéma 1 : Géométrie permettant

des encapsulations

Photo 2 : Salle blanche du labo

Formule chimique

du PDMS

Je n’ai pas eu d’horaires imposés, ce qui est agréable, mais je me suis imposé de

toujours être au labo avant 9h30 et de repartir entre 18h et 19h (parfois plus, parfois

moins, selon mes expériences en cours et mes obligations personnelles).

III/ Déroulement du stage

Mon stage peut être séparé en 2 périodes.

Durant la première période, c'est-à-dire les deux premières semaines,

mon objectif était de réaliser une simple encapsulation de gaz – en

l’occurrence de l’air -, c'est-à-dire faire des bulles d’air dans des

gouttes d’huile s’écoulant dans de l’eau (voir photo 3)

Les circuits utilisés étaient du type « double flow-focusing » (voir

schéma 2 : les fluides circulent dans les canaux rectilignes, l’air comprimé

arrive en 1, l’huile en 2, et l’eau distillée en 3) ; ceux-ci se sont révélés

plus efficaces que de simples croisements en T.

Pour fabriquer ces circuits (voir schéma 3, étape

a, b, c non détaillées), j’ai mélangé du PDMS

avec un agent réticulant, pour les passer à la

centrifugeuse afin de supprimer la plupart

des bulles d’air. Je pouvais ensuite soit

spincoater le mélange, c’est-à-dire le couler

sur une lame de verre qui tournera à grande

vitesse pour avoir une surface plane, soit le

couler dans une boite de Pétri, soit le couler

sur un moule (d). Je mets ensuite ceci à

l’étuve à 75°C pendant une heure au

minimum pour qu’il puisse y avoir

réticulation (donc solidification). Je découpe

ensuite les circuits qui m’intéressent ainsi que

des rectangles de PDMS de même taille (e), je

fait les trous nécessaires à l’introduction de fluides (f) et je les colle entre eux par une

technique de plasma (g). Selon cette technique, il faut introduire les deux morceaux

de PDMS à coller dans un sas, qui sera saturé en oxygène. On doit alors activer un

plasma à l’intérieur, puis sortir les échantillons qui vont naturellement adhérer l’un à

l’autre grâce à des liaisons Si02 créées à la surface.

La première étape fut de réaliser une arrivée d’air

comprimé dans de l’huile (voir photo 4). Il est plus

difficile de travailler avec de l’air qu’avec des

liquides, du fait de la compressibilité des gaz.

J’ai testé plusieurs huiles, et j’ai pu déterminer que plus la viscosité est grande,

Schéma 3 : fabrication d’un circuit de PDMS

3 2 1 Photo 3 : Simple

encapsulation d’air

Photo 4 : une bulle d’air en formation

Schéma 2 : Circuit double flow-

focusing (2 jonctions en croix)

meilleure est la sphéricité des bulles ; j’ai alors

choisi le TPGDA (tripropylèneglycolediacétate),

qui était suffisamment visqueux et présente

l’avantage de devenir solide en présence d’un

agent réticulant, sous l’action d’UV. Ensuite, j’ai

injecté l’huile dans une arrivée d’eau (voir photo 5)

Le canal s’élargit à un endroit (la « chambre » ou la « citerne », voir schéma 2).

L’encapsulation était assez réussie à l’entrée de cette chambre, mais un problème est

apparu : les gouttes d’huile coalesçaient entre elles plus loin (voir enchaînement de 2

photos), et donc l’air emprisonné dans ces gouttes aussi.

Pour éviter cela, j’ai ajouté un tensioactif (du Tween20 à

0,01%) dans l’eau, ce qui a permis de stabiliser les

gouttes d’huile et empêcher la coalescence. Mais cela a

aussi provoqué l’apparition de « Janus » (bulle d’air et

goutte d’huile accolées) dans les zones à débit élevé

(voir photo 8).

En parallèle à ce problème, mes expériences étaient limitées dans le temps. En effet,

les effets de surface étant très importants en microfluidique, je devais avoir des

surfaces hydrophiles dans mon circuit, qui favorisent les gouttes d’huile dans l’eau,

et non pas hydrophobes, qui détruiraient mes encapsulations.

Le collage (lors de la

fabrication du circuit) est fait

grâce au traitement au plasma

qui rend les surfaces

hydrophiles, mais pour une

durée limitée (voir courbe 1).

Ainsi, au fur et à mesure du

temps, le circuit devenait de

plus en plus hydrophobe et

mes expériences fonctionnaient

de moins en moins bien.

J’ai alors appris par mon maître de stage qu’un traitement récent, que l’on a appelé

traitement de Fréchet, permettait de rendre le PDMS hydrophile pendant quelques

semaines. Cette manipulation n’était pas encore bien maîtrisée, et on m’a proposé

Courbe 1 : angle de mouillage en fonction du temps

après traitement plasma

Photo 8 : Janus Photos 6 et 7 : coalescence de 2 bulles d’air

Photo 5 : une grosse bulle d’air prise dans

un filet d’huile s’écoule dans de l’eau

d’étudier ce traitement qui intéressait plusieurs personnes au labo. Cela constitue la

2e période de mon stage, du 11 juin au 29 juin.

Un article [1] donnait une recette : mettre en

contact la partie à traiter et une solution de

Fréchet (solution facile à fabriquer, contenant de

l’eau, de l’alcool, de l’acide acrylique – polymère,

principal ingrédient actif -, du pluronic F-108 ou

F-68 – surfactant -, de la benzophénone -

photoinitiateur) ; exposer aux UV pendant un

certain temps ; rincer et éventuellement sécher (voir schéma 4 et photo 9)

Mais même en suivant ce

protocole scrupuleusement, ça

ne fonctionnait pas. J’ai alors

passé presque 1 semaine de

stage à déterminer la ou les

causes de l’échec (âge de mes

solutions, séchage ou non,

présence d’un couvercle etc) ;

cela m’a permis de déterminer

un problème d’éclairage –

l’article comportait d’ailleurs

une erreur à ce sujet.

J’ai alors étudié ce traitement,

compte tenu des délais dont je

disposais : influence de l’âge

de la solution de Fréchet, de la

puissance et de la durée

d’insolation (voir courbe 2), de

l’état de la surface du PDMS

(traité au plasma, à l’étuve…).

Pour voir la qualité de l’hydrophilie

j’ai mesuré des dizaines d’angles de

contact à l’aide d’un logiciel

d’acquisition d’image relié à un

microscope et à un programme Matlab

(voir photos 9 et 10)

Schéma 4 : Traitement de Fréchet

Photos 9 et 10 : mesure d’angles avec le microscope

Photo 9 : sous hotte à acide de salle blanche, 2 solutions de Fréchet, et une plaque de PDMS en cours de traitement

Courbe 2 : efficacité du traitement en fonction de la durée d’insolation

J’ai alors observé un phénomène surprenant, non mentionné dans les articles sur le

sujet : l’apparition d’une sorte de réseau lorsque j’insole longtemps, plus de 40 min

(voir photos 11, 12 et 13 et courbe 3). Photo 11 : Réseau (taille : 1 cm de diamètre)

Photo 12 : Zoom sur ce réseau (taille objet : 0,1 mm)

Photo 13 : Autre réseau, hexagonal

Courbe 3 : Profil du réseau hexagonal, sur une ligne

Je me suis alors aperçu que ce réseau n’apparaissait que

lorsque le PDMS était collé sur du verre ou sur le fond d‘une

boîte de Pétri ; lorsqu’il n’est pas collé, le PDMS se déforme,

se gondole (flambage). J’ai donc attribué ce réseau à des

contraintes mécaniques internes au PDMS. Ce réseau

mériterait une étude approfondie, étude que je n’ai pas pu

entreprendre pendant mon stage. Schéma 5 : flambage du PDMS

Les conditions expérimentales optimales pour le traitement de Fréchet étant

déterminées, je suis passé à l’étude in-situ (c’est-à-dire le traitement des canaux).

J’ai voulu savoir en particulier si le traitement de Fréchet était suffisamment efficace

pour avoir des gouttes d’huile dans l’eau et non pas l’inverse.

J’ai remarqué que la plupart du temps, il n’y a pas de gouttes d’un

fluide dans l’autre, ceux-ci s’écoulant plutôt sans se mélanger.

Cependant, lors de traitements avec une durée d’insolation assez

importante, j’ai pu avoir des gouttes d’huile stables dans l’eau (voir

photo 14). Mais l’augmentation des durées d’insolation a posé

plusieurs effets gênants : fuites plus nombreuses, réseau à la surface

du PDMS en cas de fuite, morceaux de PDMS bouchant les canaux,

canaux dégradés…

Il s’agit de la dernière manipulation de mon stage (jeudi 28 juin), ce

qui clôt mon étude de façon satisfaisante mais avec une petite sensation d’inachevé.

Mon maître de stage et Hervé vont cependant poursuivre les recherches dans ce

domaine, et notamment cette dégradation des canaux. J’ai aussi rédigé un petit

protocole sur le traitement de Fréchet à destination de l’équipe d’accueil.

IV/ Bilan Personnel

Lors de ce stage j’ai pu compléter mes quelques connaissances en matière molle avec

de nombreuses informations théoriques et pratiques. A court terme, cela va m’aider à

aborder l’UE Matière Molle de l’an prochain… Plus sérieusement, je pense avoir

trouvé un domaine qui m’intéresse vraiment en physique : l’hydrodynamique. J’ai

du mal à m’intéresser aux domaines moins « visuels » (physique subatomique, etc…)

Mais ce stage m’a donné avant toute chose un certain goût à la recherche.

Il faut savoir qu’à partir du 2e semestre, je me suis demandé si je devais continuer en

Phytem ou bien changer de département. J’ai pris rendez-vous avec ma directrice de

département, et sur ses conseils j’ai attendu ce stage avant de prendre ma décision.

Finalement, ce stage m’a redonné envie de faire de la physique et me fait continuer

en Phytem l’année prochaine. La vie en laboratoire est bien loin de ce que l’on voit en

cours ou en TP ! J’ai pu y mener des recherches de manière responsable et autonome,

visualiser des expériences concrètes, établir moi-même des protocoles...

Je crois vraiment qu’au-delà des connaissances, savoir-faire et méthodes de travail

acquis, cette expérience de la vie en laboratoire va être ce que je retiendrai le plus.

Bibliographie :

• TABELING Patrick, Introduction à la Microfluidique, éd. Belin, 2003

• Schéma 1, Photo 1 et 3 : Experimental Soft Condensed Matter Group, WEITZ David, Harvard

• [1] SEO Minseok, PAQUET Chantal, NIE Zhihong, XU Shenqing, KUMACHEVA Eugenia,

Microfluidic consecutive flow-focusing droplet generators, Soft Matter 2007

NB : Ce plan me paraît plus approprié que celui proposé. Je n’ai pas réalisé de document technique spécifique

pour l’équipe d’accueil, étant donné que j’ai laissé 2 cahiers de laboratoires détaillés, une notice sur le traitement

de Fréchet ainsi que l’ensemble de mes vidéos/photos/documents/circuits de PDMS utiles. J’ai réalisé tous les

schémas, courbes et photos, sauf les photos 1 et 3 et la courbe 1.

Photo 14 : Goutte

d’huile dans un

canal d’eau