Physique des fluides aux échelles microscopiques pour l’ingénierie des microsystèmes : l’apprentissage par la simulation

La microfluidique est un domaine en pleine expansion. Ses multiples applications expliquent l’engouement actuel pour cette thématique de recherche. Elles peuvent concerner l’étude de phénomènes physiques, la chimie analytique ou encore la biologie moléculaire. Le développement de cette discipline nécessite notamment des centres de fabrication microélectronique de type "salle blanche". Nous l’avons donc introduite dans les enseignements du Master Micro et NanoTechnologies de l’Université de Lille 1 dès la première année sous forme de cours, TDs de simulations et TP en salle blanche. La série de TDs de simulations destinés à comprendre les enjeux fondamentaux de l’écoulement des fluides aux petites dimensions est ici présentée. Au cours des séances, les problématiques de l’écoulement laminaire, des effets capillaires et des phénomènes de diffusion sont abordées. Elles permetteront à l’étudiant d’acquérir le bagage théorique nécessaire pour la poursuite d’études dans le développement d’applications microfluidiques comme les "Laboratoires sur Puce"

Détermination de l'état de mouillage aux échelles micro/nano par caractérisation acoustique haute fréquence.

Les ondes acoustiques ultrasonores dans la gamme du GHz sont exploitées dans les pour réaliser l'imagerie de propriétés élastiques à l'échelle microscopique. Il est, dans ce cas, possible d'obtenir une résolution de l'ordre du micromètre dans l'eau (comparable à la résolution optique) grâce à la microscopie acoustique au GHz. Cette solution a permis de réaliser des études en transmission et en réflexion pour des fréquences allant jusqu'à plusieurs GHz. Les ondes peuvent être focalisées vers la structure à analyser par l'intermédiaire d'un milieu couplant comme l'eau, pour assurer la transmission acoustique. Les applications concernent la caractérisation de défauts à l'échelle micrométrique dans des matériaux qui ne sont pas transparents optiquement. Nous avons développé une méthode de caractérisation acoustique haute fréquence intégrée afin de pouvoir caractériser des interfaces liquide / solide [1]. Le matériau étudié est le silicium, milieu opaque, qui présente une structuration aux échelles micrométriques ou nanométriques. Afin d'atteindre nos objectifs de caractérisation par ondes acoustiques aux échelles micrométriques et nanométriques, nous avons dû travailler au développement et à l'intégration de transducteurs ultrasonores hautes fréquences sur substrat silicium, notamment à partir des technologies couches minces. La particularité de la méthode est que le transducteur acoustique haute fréquence est réalisé directement en face arrière du substrat dont l'interface supérieure avec un liquide est à caractériser. L'avantage principal est de pouvoir s'affranchir de l'utilisation d'un couplant dont l'utilisation est très délicate voire rédhibitoire dans la gamme de fréquence visée. D'autre part, l'augmentation de la fréquence des transducteurs acoustiques est directement liée à la diminution des longueurs d'onde et donc à la possibilité d'analyser des interfaces micro ou nanostructurées. L'étude de la stabilité de l'interface triple liquide / air / solide sur des structures superhydrophobes réalisées à l'échelle micrométrique puis nanométrique s'est déroulée sur dispositifs issues de l'industrie de la microélectronique (imageurs réalisés par ST Microelectronics). En effet cette industrie est particulièrement intéressée par l'efficacité du nettoyage par voie humide au cours des procédés de fabrication des composants. Dans le cadre du développement de cette méthode de caractérisation, nous avons pu montrer qu'il était possible de caractériser des interfaces dont la taille des structures solides (répétées en motifs périodiques) sont plus de 100 fois plus petites que la longueur d'onde la plus faible dans le matériau de propagation. Nous avons également modélisé le comportement des ondes acoustiques afin de pouvoir interpréter les signaux acoustiques mesurés. Enfin les informations obtenues par la méthode acoustique ont été confrontées à la méthode goniométrique, méthode classique de caractérisation du mouillage mais donnant essentiellement une information macroscopique. [1] Li S.; Lamant S. ; Carlier J. ; Toubal M. ; Campistron P. ; Xu X.; Vereecke G. ; Senez V. ; Thomy V. ; Nongaillard B., 2014; High Frequency Acoustic for nanostructure Wetting Characterization, Langmuir, 30, 25, 7601-7608

Biomimetic nanostructured surfaces for antifouling in dairy processing

In dairy pasteurization equipment, fouling is an ongoing problem. Indeed, when heated, milk and its derivatives generate mineral and proteinaceous deposits on stainless steel walls. This heat-induced fouling impairs the process through the addition of an increasing thermal resistance to the system. Deposits are also a threat to food safety as they provide micro-organisms with good settlement opportunities. As a consequence, fouling mitigating strategies are needed. Biomimetic surfaces in particular, inspired from the surface morphology of lotus leaf could be considered for their self-cleaning abilities. Its dual-scale roughness (i.e. a micro roughness supporpsed by nanoscale roughness) allows for the composite Cassie-Baxter wetting state due to air remaining trapped between the liquid and the solid surface. As a result, those surfaces possess very high contact angles (typically higher than 150o) and very low contact angle hysteresis (typically less than 10°). However, a major limitation of this type of surface is the difficulty to maintain a stable Cassie-Baxter state over time: depending on the experimental conditions (pressure, vibration, evaporation, surface defect) the liquid penetrates sooner or later into the structures degrading their anti-biofouling properties. To overcome this limitation, it has been proposed to impregnate the textured surface by a liquid of low surface tension (usually an inert oil not miscible with water). This led to SLIPS surfaces (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces). Even if these surfaces present low contact angle, their hysteresis is also almost null whatever the experimental conditions leading to antifouling properties [1].   This work aims at designing Cassie-Baxter and SLIPS surfaces and test them in dairy processing conditions to assess their antifouling properties. To this end, 316L stainless steel surfaces were texturized via femtosecond laser irradiation to generate dual-scale (cauliflower-like) structures [2]. Some of the fabricated surfaces underwent further modifications: (i) silanization with perfluorodecyltrichloro-silane or (ii) silanization followed by impregnation with a fluorinated oil to create Slippery Liquid Infused Porous Surfaces (SLIPS) [3]. All surfaces were tested for their fouling properties in a pilot pasteurization equipement (UMET-PIHM, Institut National de la Recherche Agronomique, Villeneuve d'Ascq) [4] allowing to mimick industrial conditions of the pasteurization process. Thorough characterizations were performed on the surfaces before and after fouling, to (i) establish clearly their surface properties (wettability, surface energy, roughness) and (ii) to investigate the impact of the different surface properties on heat-induced dairy fouling compared to a native stainless steel as reference. A wide range of analytical tools such as Goniometry, cross-section Electron Probe Micro-Analysis X-ray mappings, and Scanning Electron Microscopy were implemented to this end. Outstanding results were obtained regarding antifouling properties of dual-scaled roughness surfaces in dairy processing conditions, with a reduction of fouling by more than 90% in weight. References [1] T.-S. Wong, S. H. Kang, S. K. Y. Tang, E. Smythe, B. D. Hatton, A. Grinthal, and J. Aizenberg, ?Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity,? Nature, vol. 477, pp. 443?447, 2011. [2] A.-M. Kietzig, S. G. Hatzikiriakos, and P. Englezos, ?Patterned Superhydrophobic Metallic Surfaces,? Langmuir, vol. 25, no. 8, pp. 4821?4827, 2009. [3] A. K. Epstein, T.-S. Wong, R. A. Belisle, E. M. Boggs, and J. Aizenberg, ?Liquid-infused structured surfaces with exceptional anti-biofouling performance,? PNAS, vol. 109, no. 33, pp. 13182?13187, 2012. [4] M. Jimenez, G. Delaplace, N. Nuns, S. Bellayer, D. Deresmes, G. Ronse, G. Alogaili, M. Collinet-Fressancourt, and M. Traisnel, ?Toward the understanding of the interfacial dairy fouling deposition and growth mechanisms at a stainless steel surface: A multiscale approach,? J. Colloid an interface Sci., vol. 404, pp. 192?200, 2013

Wettability Switching Techniques on Superhydrophobic Surfaces

The wetting properties of superhydrophobic surfaces have generated worldwide research interest. A water drop on these surfaces forms a nearly perfect spherical pearl. Superhydrophobic materials hold considerable promise for potential applications ranging from self cleaning surfaces, completely water impermeable textiles to low cost energy displacement of liquids in lab-on-chip devices. However, the dynamic modification of the liquid droplets behavior and in particular of their wetting properties on these surfaces is still a challenging issue. In this review, after a brief overview on superhydrophobic states definition, the techniques leading to the modification of wettability behavior on superhydrophobic surfaces under specific conditions: optical, magnetic, mechanical, chemical, thermal are discussed. Finally, a focus on electrowetting is made from historical phenomenon pointed out some decades ago on classical planar hydrophobic surfaces to recent breakthrough obtained on superhydrophobic surfaces

Twenty-three unsolved problems in hydrology (UPH) – a community perspective

This paper is the outcome of a community initiative to identify major unsolved scientific problems in hydrology motivated by a need for stronger harmonisation of research efforts. The procedure involved a public consultation through on-line media, followed by two workshops through which a large number of potential science questions were collated, prioritised, and synthesised. In spite of the diversity of the participants (230 scientists in total), the process revealed much about community priorities and the state of our science: a preference for continuity in research questions rather than radical departures or redirections from past and current work. Questions remain focussed on process-based understanding of hydrological variability and causality at all space and time scales. Increased attention to environmental change drives a new emphasis on understanding how change propagates across interfaces within the hydrological system and across disciplinary boundaries. In particular, the expansion of the human footprint raises a new set of questions related to human interactions with nature and water cycle feedbacks in the context of complex water management problems. We hope that this reflection and synthesis of the 23 unsolved problems in hydrology will help guide research efforts for some years to come

Etude de dispositifs radiométriques pour la mesure de température (application aux domaines industriel et médical)

La dégradation de l'énergie thermique d'un milieu dissipatif se traduit par un rayonnement électromagnétique large spectre. Cette puissance peut être traduite en une information de température volumique au moyen d'un dispositif radiométrique microonde qui permet donc d'accéder à la température d'un corps de façon non invasive et non destructive. Après un rappel du principe de fonctionnement des radiomètres à double référence interne de température, nous présentons une caractérisation approfondie d'un radiomètre à bande étroite fonctionnant sur une plage fréquentielle réservée (G.P.S). La perspective de réalisation d'un démonstrateur commercial ainsi que la forte évolution du marché des composants hyperfréquences, nous ont conduit à insérer dans la chaîne d'amplification du radiomètre de nouveaux composants. Ceci a entraîné une baisse de son prix de revient ainsi que de son encombrement. Les premiers tests de ce dispositif, en laboratoire et sur site industriel, ont été concluants. A partir d'un modèle basé sur les Différences Finies dans le Domaine Temporel, nous sommes en mesure de déterminer le diagramme de réception d'un capteur froid situé face à un milieu hétérogène, avec pour objectif d'interpréter les signaux radiométriques. Plusieurs campagnes d'expérimentation ont été menées. Dans le domaine médical, un protocole visant à valider la technique radiométrique comme moyen de mesure de température chez l'Homme a été mené sur 14 patients volontaires. Dans le domaine agroalimentaire, une première campagne sur un produit homogène en phase de surgélation à entreprise. Elle a été associée à une interprétation des signaux radiométriques obtenus.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Développement de microsystèmes EWOD sur surfaces hydrophobes et superhydrophobes (application à la spectrométrie de masse)

Ce travail s'inscrit dans le contexte du développement des laboratoires sur puce. La principale application visée au cours de cette thèse concerne la spectrométrie de masse. Nous avons opté pour une microfluidique discrète par électromouillage sur diélectrique (EWOO). Le premier prototype réalisé est un microsystème comportant deux plans hydrophobes (base et capot) et dédié à l'analyse MALDI. Le déplacement d'un mélange de peptides et d'une goutte de matrice a permis d'effectuer une analyse MALDI. Le second prototype, original, a consisté à réaliser un capot en silicium nanostructuré, permettant de réaliser une analyse par Désorption/lonisation sur nanostructures (DIOS). Cette technique présente comme intérêts, contrairement à l'analyse MALDI, de s'affranchir de la matrice et d'annuler le bruit pour les basses masses. De plus, traitées hydrophobes, ces surfaces nanostructurées présentent un caractère superhydrophobe. L'ensemble des opérations microfluidiques élémentaires ainsi que l'analyse biologique ont été validées. Enfin, l'électromouillage sur des surfaces superhydrophobes, a été étudié. Les meilleurs résultats de la littérature font état d'une relaxation partielle de la goutte. Nous avons pu nous placer à l'état de l'art en réalisant le premier effet EWOO totalement réversible (angle de contact variant de 161 à 134 @ 150 V TRMS) sur surfaces superhydrophobes (nanofils de silicium obtenus par croissance). Nous présentons une interprétation du phénomène ainsi que les premiers éléments d'un modèle théorique. En parallèle, un premier microsystème dédié à la culture de cellules en goutte ainsi qu'un cache (breveté) en silicium pour imagerie MALDI ont été développés.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Adressage par microfluidique digitale (application à la détection de marqueurs biologiques par plasmon de surface et détection intégrée)

LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Metallized SU-8 thin film patterns on stretchable PDMS

International audienc

Sliding Droplets on Superomniphobic Zinc Oxide Nanostructures

International audienc