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MINIATURISATION ET EFFETS ÉLECTROCINÉTIQUES
Les phénomènes électrocinétiques regroupent différents phénomènes physiques qui ont lieu dans des fluides hétérogènes ou au sein de solides poreux. On comprend par fluide hétérogène un fluide dans lequel sont dispersées des micro ou nano particules. Ces fluides sont aussi regroupés sous le terme de solutions colloïdales ou colloïdes.
Les principaux effets électrocinétiques sont induits par la double couche électrique qui se forme lorsqu’une solution électrolytique est en contact avec une surface chargée comme du verre. Les premiers modèles de cette couche ont été décrits par Gouy [5] et Chapman [6] en 1910 et 1913 et, dans ces modèles, la couche est dite «diffuse ». Ces modèles ont permis d’introduire la longueur de Debye qui caractérise la longueur de cette couche. En 1925, Stern rajouta une couche compacte au modèle de Gouy-Chapman [7]. Cette double couche se forme en réponse à la présence de groupements chimiques à la surface du canal ou de la particule et elle peut aussi être induite en appliquant un potentiel sur une surface métallique.
Des phénomènes électrocinétiques se produisent lorsque cette couche chargée est mise en mouvement sous l’effet d’une force extérieure comme un champ électrique, un gradient de pression, un gradient de concentration ou la gravité. Les phénomènes électrocinétiques exploitant la double couche électrique incluent :
● L’électrophorèse, qui décrit le mouvement de particules sous l’influence d’un champ électrique
● L’électro-osmose, qui décrit le mouvement de la double couche électrique sous l’influence d’un champ électrique dans un milieu poreux ou à la surface d’un canal
● La diffusiophorèse, qui décrit le mouvement de particules sous l’influence d’un gradient de potentiel chimique
● L’osmose capillaire, qui décrit le mouvement d’un fluide dans un milieu poreux sous l’influence d’un gradient de potentiel chimique
● Le potentiel de sédimentation, qui décrit le champ électrique généré par la sédimentation de particules colloïdes
● Le potentiel d’écoulement, qui décrit le potentiel électrique généré par un fluide en mouvement à travers un milieu poreux ou au contact d’une surface
● Le courant de vibration colloïdale, qui décrit le champ électrique généré par des particules lorsque le fluide est sous l’influence d’ultrasons
● « Electric sonic amplitude », qui décrit les ultrasons générés par les particules lorsqu’un champ électrique oscillant est appliqué.
La définition des phénomènes électrocinétiques a été étendue à d’autres types d’actionnements, du fluide ou des particules, dérivés de l’électrostatique. On peut donc ajouter à la liste précédente les phénomènes suivants [8]:
● L’électrothermie, qui décrit le mouvement du fluide dû à un échauffement par effet Joule causé par un champ électrique
● La diélectrophorèse, qui décrit le mouvement de particules sous l’influence d’un champ électrique non uniforme.
Ces phénomènes considérés comme parasites lors des premières expériences sur les phénomènes électrocinétiques sont désormais des domaines de recherche à part entière. En marge de ces phénomènes on trouve l’électromouillage qui traduit la modification de la tension de surface d’une goutte lorsqu’un potentiel lui est appliqué. Ce phénomène peut servir à manipuler des gouttes sur des réseaux d’électrodes, on parle alors de microfluidique digitale [9].
ELECTROCINETIQUE ET CHAMP ELECTRIQUE
ELECTROPHORESE
Comme décrit précédemment, l’électrophorèse traduit le mouvement de particules chargées de tailles micro à nanométriques sous l’influence d’un champ électrique continu. Ce champ électrique exerce une force de Coulomb sur les particules et une force de signe opposé sur la double couche électrique qui entoure les particules. Cette force d’opposition est appliquée au sein de la double couche électrique. Une partie de cette force est alors transférée à la particule via les contraintes visqueuses du fluide. Une particule chargée est donc soumise à un contre courant électro osmotique. Smoluchowski dérive en 1903, à partir des travaux d’Helmholtz .
Dans le cas général la mobilité électrophorétique dépend du rayon de la particule, de la longueur de Debye, de la conductivité du fluide ainsi que de la conductivité surfacique et volumique de la particule. Cette formulation complexe de la mobilité électrophorétique est peu utilisée car les cas limites évoqués précédemment suffisent à décrire les principales expériences d’électrophorèse. On peut aussi remarquer, dans les deux cas limites évoqués précédemment, que la mobilité électrophorétique ne dépend pas de la taille des particules mais seulement de leur charge via leur potentiel zêta. L’application la plus spectaculaire de l’électrophorèse est son utilisation pour la séparation d’ADN et de protéines. En effet, les efforts d’Arne Tiselius [13] concernant l’électrophorèse de protéines furent récompensés par un prix Nobel en 1948. Dans cette application précise, l’électrophorèse se fait dans un gel et la théorie diffère de celle développée pour l’étude des colloïdes. Les dispositifs commerciaux utilisant l’électrophorèse en gel sont utilisés quotidiennement dans les laboratoires biomédicaux.
ELECTRO-OSMOSE
L’électro-osmose est un phénomène, qui décrit la mise en mouvement d’un fluide sous l’influence d’un champ électrique tangentiel à la couche diffuse. En effet, ce champ électrique met en mouvement la double couche électrique qui entraine le fluide via les contraintes visqueuses. Lorsque l’écoulement est laminaire, un mouvement global du fluide peut être observé. L’électro-osmose a lieu sur la surface de microcanaux ou sur les surfaces de matériaux poreux.
MINIATURISATION ET AMPLIFICATION DES PHENOMENES ELECTROCINETIQUES
LA MINIATURISATION
Les avancées technologiques engendrées par l’émergence des circuits intégrés ont permis d’automatiser à grande échelle la façon de faire des calculs, ce qui a profondément changé la manière dont nous abordons notre quotidien. L’intégration des transistors au sein des puces électroniques double quasiment tous les deux ans depuis 1971 en suivant la loi énoncée par Moore en 1965 dans la revue «Electronics» [16]. Ainsi, la dimension critique des transistors, la largeur de grille, a été réduite à 45nm fin 2008 et il est prévu que les prochaines générations de transistors aient une largeur de grille de 32nm. Les machines permettant d’atteindre des résolutions micrométriques sont devenues facilement accessibles aux laboratoires dans les années 1995-2000 car quasiment obsolètes pour l’industrie microélectronique. Ces machines, et les procédés de fabrication associés, présentent un intérêt considérable pour la fabrication et le prototypage de micro et nano systèmes (capteur de pression, accéléromètres, gyroscopes, composants électroniques, alliages de matériaux…). En utilisant les procédés de photolithographie, il est possible d’espacer des électrodes de seulement quelques microns ce qui facilite l’obtention de forts gradients de champ électriques. Cela autorise l’utilisation de générateurs de tension alternative pour réaliser des expériences de diélectrophorèse qui furent autrefois limitées par l’utilisation de source de tension basse fréquence de plusieurs kilosvolts.
La miniaturisation des dispositifs ne se limite pas seulement aux dispositifs électroniques ou mécaniques. En effet, en utilisant les techniques de microfabrication, certaines équipes de recherche ont essayé de réduire la taille des systèmes d’analyse biologique ou chimique donnant naissance au domaine de la microfluidique. Une définition de la microfluidique est donnée par G.M. Whitesides qui la définit comme « la science et la technologie des systèmes qui manipulent de petits volumes de fluides (10⁻⁹ à 10⁻¹⁸ litres), en utilisant des canaux de la dimension de quelques dizaines de micromètres » [17]. On retrouve dans cette définition les principaux enjeux de la microfluidique : la miniaturisation des systèmes existants et la manipulation de petits échantillons de fluides en utilisant des canaux dont les dimensions rivalisent avec celles des circuits micro électroniques. Les recherches actuelles se focalisent sur les applications biologiques, médicales et chimiques, mais on exploite quotidiennement des propriétés microfluidiques en utilisant, par exemple, des capteurs de gaz ou des imprimantes à jet d’encre [18].
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Table des matières
INTRODUCTION
I. MINIATURISATION ET EFFETS ELECTROCINETIQUES
A. Introduction
B. Electrocinétique et champ électrique
1. Electrophorèse
2. Electro-osmose
3. Electrothermie
4. Diélectrophorèse
5. Conclusion
C. Miniaturisation et amplification des phénomènes électrocinétiques
1. La miniaturisation
2. Mécanique des fluides à petites dimensions
3. Utilisation des effets Electrocinétiques à l’échelle microfluidique
a. Electrophorèse
b. Ecoulements électrothermiques
c. Écoulements électro-osmotiques
d. La diélectrophorèse
4. Conclusion
D. La diélectrophorèse
1. Fonctions réalisables
2. Eléments théoriques
a. Particules sphériques
b. Particules elliptiques
c. Particules allongées (en tête d’épingle)
d. Conclusion
3. Principales configurations d’électrodes
4. Régimes de fonctionnement
a. Tri par gravité
b. Tri latéral
c. Tri par DEP fractionnée
d. Tri par barrières de DEP
e. Concentration par couplage électrothermique
f. Tri par propagation d’onde
g. Tri ou localisation par fréquences multiples
h. DEP par champ pulsé
i. DEP assistée par gradient de conductivité
j. DEP assistée par réaction immunologique
k. DEP assistée par des billes fonctionnalisées
l. DEP induite par un champ lumineux
m. Electro rotation
n. Assemblage Direct
5. Conclusion
E. Conclusion
F. Bibliographie
II. DIELECTROPHORESE APPLIQUEE AU TRI DE MICROPARTICULES
A. Introduction
B. Choix de conception du module de tri par diélectrophorèse
a. Les différentes bioparticules pouvant être triées par DEP
b. Les différents types de tri de microparticules en flux continu
c. Dispositifs de tri par diélectrophorèse en flux continu
d. Choix de conception du module de tri
C. Présentation du dispositif et simulations
1. Principe de fonctionnement
2. Simulations du dispositif
a. Simulation globale
b. Calculs de trajectoires de billes de polystyrène
i. Identification des forces
ii. Mouvement Brownien
iii. Equation du mouvement
D. Fabrication et banc de mesure
1. Procédé de fabrication salle blanche et connectiques
2. Banc de Mesure
E. Tri de billes de polystyrène
1. Détermination du facteur de Clausius Mossotti
a. Eléments théoriques
b. Caractérisation des billes à l aide d’un quadripôle
c. Influence et détermination des paramètres électriques
2. Tri en flux continu
a. Stratégie de tri
b. Résultats des expériences
F. Tri de levures mortes et vivantes
1. Facteur de Clausius Mossotti
a. Eléments théoriques
b. Caractérisation des levures à l’aide d’un quadripôle
2. Tri en flux continu
a. Stratégie de tri
b. Risque pour les levures
c. Traitement des données
3. Exemples du potentiel d’integration du trieur
G. Conclusion
H. Bibliographie
III. ASSEMBLAGE DE NANO OBJETS CYLINDRINQUES PAR DIELECTROPHORESE COUPLEE A UNE METHODE D’ASSEMBLAGE CAPILLAIRE
A. Introduction
1. Intégration descendante
2. Intégration ascendante
B. Les différentes techniques d’assemblage de nanofils et nanotubes
1. Assemblage par jet d’encre
2. Assemblage par forces moléculaires
3. Assemblage électrostatique
4. Assemblage par forces capillaires
5. Assemblage par champs magnétiques
6. Assemblage par diélectrophorèse
7. Conclusion
a. Vers un assemblage hybride
b. Stratégie d’assemblage retenue
C. Assemblage hybride
1. Procédé d’assemblage par DEP couplé à l’assemblage capillaire
2. Principaux phénomènes physiques liés à l’assemblage capillaire
3. Banc d’assemblage capillaire
4. Conclusion
D. Assemblage hybride de nanofils de silicium et nanotubes de carbone
1. Nanofils de Silicium
a. Composition de la solution de nanofils
b. Localisation des différents sites d’assemblage par DEP
c. Assemblage hybride de nanofils uniques
d. Intégration des nanofils en vue de leur caractérisation
e. Conclusion
2. Nanotubes de carbone
a. Composition de la solution à assembler
b. Résultats d’assemblage hybride effectué avec les NTC
i. Assemblage sur substrat plan
ii. Assemblage sur substrat structuré
c. Conclusion
E. Conclusion
F. Bibliographie
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
