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Sommaire 1 Microfluidique 1.1 Introduction (à élaguer et généraliser) 1.2 Fluidique à basse dimensionalité 1.2.1 Fluides et milieux continus 1.2.2 Lois d'échelles 1.3 Types d'écoulement 1.4 Disciplines connexes 1.5 Fabrication des dispositifs microfluidiques 1.6 Actionnement des fluides 1.7 Applications 1.8 Liens internes à wikifier ou à mettre en annexe 1.9 Notes et références

[modifier] Microfluidique

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La microfluidique est un domaine pluridisciplinaire faisant appel à la physique, à la micro-électronique, à la chimie et aux biotechnologies qui a pour objet l'étude du comportement des fluides aux dimensions micrométriques. Elle concerne également la conception de systèmes dans lesquels de faibles volumes de fluides seront utilisés.

[modifier] Introduction (à élaguer et généraliser)

La miniaturisation a été rendue indispensable en microélectronique, afin de continuellement augmenter les performances des composants électroniques. Cette intégration, essentiellement motivée par des impératifs économiques et les feuilles de route que se fixent les industriels, permet également le développement de techniques innovantes pouvant être utilisées en recherche amont. Inversement, on cherche aussi à transférer de nouvelles technologies vers l'industrie pour réaliser des applications commercalisables. En résumé, la miniaturisation est motivée par une volonté économique d'intégration, mais également par le fait qu'elle pousse les scientifiques à imaginer de nouveaux outils et de nouvelles théories, destinées à appréhender des concepts non triviaux. Cette volonté de miniaturisation touche aujourd'hui de très nombreux secteurs d'application, et amène à des problématiques fortement pluridisciplinaires.

Les motivations sont nombreuses et complexes. Tout d'abord, pourquoi des physiciens et des microtechnologues s'intéressent-ils aux fluides, en particulier les liquides, apanage d'une poignée de mécaniciens, et surtout, milieux de prédilection des chimistes et des biologistes ? Parce que, lorsque l'on considère les basses dimensions, la formation du physicien le rend compétent dans les phénomènes microscopiques, voire nanoscopiques, qui entrent en jeu. Il est à même d'appréhender les singularités entraînées par la réduction des échelles. Le microtechnologue, lui, est mieux placé que quiconque pour inventer, utiliser et adapter des technologies de micro-nano-fabrication.

Néanmoins, la compétence du physicien et du microtechnologue dans ce domaine appelé microfluidique, ne répond pas au « pourquoi ». Pour cela, il faut principalement chercher du côté des applications. Le milieu liquide est surtout celui des sciences du vivant, que sont la chimie et la biologie. Ces deux sciences sont extrémement demandeuses de nouvelles techniques d'analyse, et les microtechnologies peuvent leur apporter beaucoup. Cependant, physiciens et technologues ne doivent pas être de simples techniciens. Leurs compétences et leur analyse leur permettent d'être des éléments moteurs et de proposer des approches nouvelles. C'est en collaboration avec les mécaniciens, les chimistes et les biologistes qu'ils seront capables, notamment, de trouver de nouveaux mécanismes d'actionnement et de contrôle des écoulements dans les microsystèmes dédiés à l'analyse.

[modifier] Fluidique à basse dimensionalité

[modifier] Fluides et milieux continus

Un fluide est un milieu continu qui peut s'écouler. Un milieu est considéré comme continu lorsqu'on l'étudie à une échelle de longueur grande devant le libre parcours moyen des molécules.

En lisant cette définition, on se rend compte immédiatement qu'une réduction des dimensions caractéristiques du système considéré doit prendre en compte l'étude de la continuité du milieu. Un critère habituel est le calcul du nombre de Knudsen Kn, qui est le rapport entre le libre parcours moyen des molécules et la longueur caractéristique L du système étudié.

On considère en général que le milieu est continu si Kn  < 10 ^{− 2}. Prenons l'exemple de l'écoulement d'un liquide dans une canalisation : le libre parcours moyen des molécules dans un liquide est ~10^-9 m. Pour une canalisation de diamètre L~100 µm = 10^-4 m, on a finalement Kn ~10^-5. Le critère est donc bien vérifié dans ce cas.

[modifier] Lois d'échelles

Aux petites dimensions, les phénomènes physiques que l'on observe ne subissent pas seulement un diminution linéaire de leurs effets. Certains phénomènes négligeables deviennent prépondérants, et vice-versa. Ainsi, les forces de gravité, incontournables à notre échelle, sont tout à fait hors de propos lorsque l'on étudie un atome sur une surface.

Dans le cas d'écoulement de liquides dans des microcanaux, les phénomènes de surfaces prennent soudain une grande importance par rapport aux effets de volumes^[2]. Le rapport surface sur volume augmente drastiquement, provoquant des effets originaux, tels la capillarité, et rendant prédominantes les forces de contact et de viscosité.

Pour quantifier ces effets, on introduit le nombre de Reynolds, grandeur sans dimension qui caractérise le rapport entre les forces d'inertie et les forces de viscosité.

avec μ_fluide la masse volumique du fluide (exprimée en kg.m^-3), L la taille caractéristique du système (m), V une vitesse caractéristique (m.s^-1), η la viscosité dynamique du fluide (kg.m^-1.s^-1, ou Pa.s, ou Pl^[3]), et ν la viscosité cinématique du fluide (m².s^-1).

Lorsque la longueur caractéristique L décroît et la viscosité ν augmente, le nombre de Reynolds diminue fortement. La fluidique à bas nombre de Reynolds possède certaines caractéristiques remarquables. À bas nombre de Reynolds, l'écoulement est souvent laminaire : il est stable, et les lignes de courant sont bien dessinées^[4]. Au voisinage de la surface, les forces de contact entre le liquide et le solide (la surface de la canalisation) prédominent. La viscosité du fluide introduit une condition de non glissement qui annule la vitesse du fluide : il adhère à la paroi.

[modifier] Types d'écoulement

• monophasique, diphasique
• laminaire, turbulent

[modifier] Disciplines connexes

• Biopuce
• Fonctionnalisation (de surface)
• Mouillage
• Modélisation

[modifier] Fabrication des dispositifs microfluidiques

[modifier] Actionnement des fluides

• pompes
• vannes
• valves
• mélangeurs

• actionnement mécanique, chimique
• micropyrotechnie

[modifier] Applications

• Chimie analytique
• biochimie
• sciences forensiques
• µTAS
• génie des procédés (pour le moment : la microfluidique apporte une efficacité bien plus importante mais des volumes très faibles)
• autres dispositifs : refroidissement de composants, applications spatiales

[modifier] Liens internes à wikifier ou à mettre en annexe

Condition de non-glissement, Écoulement de Stokes, Écoulement de Poiseuille, Nombre de Reynolds, Viscosité cinématique, Viscosité, Poiseuille, Jean-Louis-Marie Poiseuille, Pascal (unité), Seconde (temps), Système international d'unités, Système CGS, Poise, Fluide, Turbulence, Équations de Navier-Stokes, Gravité, Écoulement laminaire, Nombre sans dimension, Nombre de Knudsen, Dynamique des fluides, Micro electro mechanical systems

[modifier] Notes et références

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