Transition de forme Oblate / Prolate d'une vésicule dans un cisaillement simple

International audienceVesicles are micrometric soft particles whose the membrane is a two-dimensional incompressible fluid governed by bending resistance leading to a zoology of shapes. The dynamics of deflated vesicles in shear flow with a bottom wall, a first minimal configuration to consider confined vesicles is investigated using numerical simulations. Coexistence under flow of oblate (metastable) and prolate (stable) shapes is studied in details. In particular, we discuss the boundaries of the region of coexistence in the (v, Ca) plane where v is the reduced volume of the vesicle and Ca the Capillary number. We characterize the transition from oblate to prolate and analyse the divergence of the transition time near the critical capillary number. We then analyse lift dynamics of oblate vesicle in the weak flow regime

Transition de forme d'une goutte complexe sous cisaillement

La vectorisation de substances a de nombreux atouts : transport de substances d'un endroit à un autre, protection de ces substances et de leur environnement, micro-réacteurs biologiques... Ces objectifs sont des défis dans de nombreux domaines : médecine, cosmétique, agro-alimentaire.. Les particules bio-mimétiques sont une des solutions apportées, telles que les micelles ou les liposomes (aussi appelés « vésicules »). La vésicule, goutte de fluide visqueux entourée d'une bi-couche lipidique, est également un modèle courant dans l'étude du comportement mécanique des globules rouges, seuls ou en suspension.   La membrane d'une vésicule se comporte comme un fluide incompressible en deux dimensions, soumis à des forces visqueuses et de flexion. Ainsi, la complexité de notre système réside dans la réponse originale de la membrane aux forces appliquées par l'écoulement. Dans un écoulement cisaillé, ces gouttes complexes adoptent de nombreuses formes et dynamiques dépendant des propriétés de leur membrane et du fluide environnant. Dans le cas d'un écoulement proche d'une paroi, elles se déforment, brisant leur symétrie avant-arrière, et s'éloignent de la paroi. Cette « vitesse de décollement », due à la déformabilité de la membrane, a été étudiée numériquement (Zhao et al., Phys. Fluids, 2011), expérimentalement (Callens et al., Europhys. Letters, 2008), et théoriquement (Cantat, Misbah, Phys. Rev. Letters, 1999) pour des vésicules à la forme proches de la sphère.   Notre étude se concentre sur des vésicules très déformées par rapport à une sphère. Dans ce cas, deux familles de formes apparaissent, l'une proche d'un disque (« oblate »), l'autre proche d'un cigare (« prolate »). Dans la gamme de paramètres étudiés, la forme « oblate » apparaît comme la forme d'équilibre en l'absence d'écoulement ; cependant, si un écoulement cisaillé est imposé, la vésicule est étirée dans la direction de l'écoulement, et peut donner lieu à une transition vers la forme « prolate ». Nos simulations, réalisées à l'aide de méthodes numériques récentes, montrent l'existence d'une région où ces deux formes coexistent.   Notre système est caractérisé par deux nombres adimensionnés, le nombre capillaire mesurant l'influence de l'écoulement comparée à celle de la résistance à la flexion de la membrane, et le volume réduit (ou dégonflement) qui quantifie la déformabilité de la vésicule. Si le dégonflement doit être non nul pour obtenir une migration transverse à la paroi communément appelé « lift », notre étude montre aussi une dépendance aux conditions initiales : la forme initiale de la vésicule est également un paramètre clé dans l'étude de cette migration. En particulier, la forme « oblate » initiale se déforme jusqu'à adopter une forme « prolate » au-dessus d'une certaine valeur critique du nombre capillaire. Nous avons donc étudié et caractérisé cette transition de forme et les conditions de son existence

Influence de la flexion sur la dynamique d'une capsule dans un écoulement élongationnel

Les effets de la résistance à la flexion sur la dynamique d'une capsule élastique soumise à un écoulement élongationnel axisymétrique sont étudiés numériquement. La méthode est basée sur le couplage des éléments finis pour le calcul des forces interfaciales avec la méthode intégrale de frontière pour l'hydrodynamique. La résistance à la flexion stabilise les formes plissées qui apparaissent à faible nombre capillaire du fait d'une zone de tension négative

Etude numérique de la sédimentation d'une vésicule

Etude numérique de la sédimentation d'une vésicule (10 microns). Sa membrane est caractérisée par sa rigidité de courbure (modèle de Helfrich) et l'incompressibilité de sa surface. Le volume est fixé (imperméabilité membranaire)  par le dégonflement initial. L'influence de la flexion sur l'existence d'une forme stationnaire est comparée au cas des gouttes (dominé par la tension superficielle). L'étude est menée en fonction du dégonflement, de la forme initiale (oblate/prolate) et du nombre de Bond

Interaction d'une vésicule avec des parois solides à faible nombre de Reynolds

Ces dernières années la micro-fluidique a développé des techniques qui permettent d’étudier et manipuler des objets déformables micrométriques (gouttes, vésicules, capsules...). Parmi les applications possibles de ces objets on peut citer l'encapsulation des médicaments pour délivrer des substances dans le sang, le plus souvent à côté des parois des capillaires sanguins, ou alors l'utilisation comme micro-réacteur. Les vésicules sont des gouttes immergées dans un fluide externe visqueux, dont le rayon vaut quelques dizaines de micromètres et entourées par une membrane imperméable constituée de lipides, dont l’épaisseur est approximativement 4 nm. Leur dynamique est gouvernée principalement par les forces de flexion, la préservation de la surface membranaire et du volume interne sur l’échelle de temps des expériences typiques. Ces caractéristiques donnent aux vésicules sous écoulement des comportements bien plus riches que pour le cas des gouttes. Les vésicules représentent ainsi un modèle très général d'objets facilement déformables dans un fluide et en même temps un problème d’interaction fluide-structure à faible nombre de Reynolds. Pour une meilleure compréhension de l'interaction des vésicules avec des structures solides, nous avons étudié le comportement d'une vésicule à proximité de parois rigides en utilisant la méthode des éléments de frontière (BEM), particulièrement adaptée aux écoulements de Stokes. En particulier nous avons focalisé nos études sur la dynamique de l'étalement d'une vésicule sur une paroi perpendiculaire à la gravité et sur le transport dans un capillaire d'une vésicule soumise à un écoulement de Poiseuille

Grandes déformations de microcapsules en écoulement élongationel et en cisaillement simple

Nous étudions expérimentalement des microcapsules dans toute la gamme de déformations accessibles avant leur rupture dans des écoulements élongationel plan et de cisaillement simple. La membrane élastique est faite de protéines réticulées et enferme une goutte de même viscosité que le fluide externe. En écoulement élongationel, nous avons développé un système micro-fluidique en croix permettant de visualiser les deux plans principaux de déformation de la capsule. L’analyse géométrique dans les deux vues permet d’identifier la loi de comportement et le coefficient de Poisson de la membrane. Pour des déformations modérées et en écoulement de cisaillement, la capsule a une forme ellipsoïdale. Au delà d’une valeur critique de déformation, la capsule devient asymétrique et présente une forme en ‘S’. Des microparticules attachées à la membrane nous permettent de quantifier localement le phénomène de ‘tank-treading’, c.à.d de rotation de la membrane. La période de rotation augmente avec la déformation. De plus, la vitesse de rotation instantanée est fortement dépendante de la position angulaire pour les grandes déformations ; les microparticules ralentissent aux pointes de la capsule

Disk wrinkling under gravity

International audienc

2023_Perception drops water

Authors: Léonard Samain-Aupic1, Mariama Dione1, Roger Holmes Watkins1, Jean-Marc Aimonetti1, Julien Deschamps2, Gwenn Boedec2, Rochelle Ackerley1. 1 Aix Marseille Univ, CNRS, LNC (Laboratoire de Neurosciences Cognitives – UMR 7291), Marseille, France 2 Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Marseille, IRPHE, Marseille, Franc

Transition de forme Oblate / Prolate d'une vésicule dans un cisaillement simple

International audienceVesicles are micrometric soft particles whose the membrane is a two-dimensional incompressible fluid governed by bending resistance leading to a zoology of shapes. The dynamics of deflated vesicles in shear flow with a bottom wall, a first minimal configuration to consider confined vesicles is investigated using numerical simulations. Coexistence under flow of oblate (metastable) and prolate (stable) shapes is studied in details. In particular, we discuss the boundaries of the region of coexistence in the (v, Ca) plane where v is the reduced volume of the vesicle and Ca the Capillary number. We characterize the transition from oblate to prolate and analyse the divergence of the transition time near the critical capillary number. We then analyse lift dynamics of oblate vesicle in the weak flow regime

Transition de forme Oblate / Prolate d'une vésicule dans un cisaillement simple

International audienceVesicles are micrometric soft particles whose the membrane is a two-dimensional incompressible fluid governed by bending resistance leading to a zoology of shapes. The dynamics of deflated vesicles in shear flow with a bottom wall, a first minimal configuration to consider confined vesicles is investigated using numerical simulations. Coexistence under flow of oblate (metastable) and prolate (stable) shapes is studied in details. In particular, we discuss the boundaries of the region of coexistence in the (v, Ca) plane where v is the reduced volume of the vesicle and Ca the Capillary number. We characterize the transition from oblate to prolate and analyse the divergence of the transition time near the critical capillary number. We then analyse lift dynamics of oblate vesicle in the weak flow regime