Microfluidique - Définition et Explications

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Introduction

La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de l'ordre du micromètre.

Définition

Exemple de réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) microfluidique : structure veineuse d'une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux...) d'érable. Le reste de la feuille a été dissout par gravure pour ne conserver que les veines.

G.M. Whitesides définit la microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont...) comme « la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) et la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) des systèmes qui manipulent de petits volumes de fluides (10-9 à 10-18 litres), en utilisant des canaux de la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) de quelques dizaines de micromètres ». Selon P. Tabeling, « on peut définir la microfluidique comme [une discipline] portant sur les écoulements de fluides simples ou complexes, mono ou multiphasiques, dans des microsystèmes artificiels, c'est-à-dire fabriqués à l'aide des nouvelles techniques ». Tabeling précise qu'il entend essentiellement par « nouvelles techniques » les techniques de microfabrication héritées de la micro-électronique (La micro-électronique est une spécialité du domaine de l'électronique.). La première définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) fait bien apparaître la dualité de la microfluidique : en tant que science, elle englobe l'étude des phénomènes et la mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides...) à l'échelle micrométrique ; en tant que technique, elle contient également une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...) applicative. Cependant, la définition de Whitesides fait porter le préfixe micro sur la dimension de canaux. Ce préfixe ne concerne pas les volumes de fluides qui, dans la définition de Whitesides, sont compris entre le nanolitre et l'attolitre. Or, certains systèmes microfluidiques, par exemple les dispositifs d'électromouillage sur diélectrique, fonctionnent en gouttes, sans canaux. Tabeling donne quant à lui une définition d'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature...) qui, comme il le souligne lui-même, exclut l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des systèmes microfluidiques naturels, tels que les capillaires sanguins ou le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) de sève (En botanique et en physiologie végétale, la sève est le milieu liquide qui circule...) dans les plantes. On peut définir plus largement la microfluidique comme la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de l'ordre du micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.).

Écoulements des fluides à l'échelle micro- et nanométrique

La nature de l'écoulement dépend du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de Reynolds, et donc de la taille caractéristique d : (a) écoulement laminaire (Un écoulement est dit laminaire lorsqu'il est régulier (qu'il ne présente pas trop de variations...), (b) écoulement turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept...)

Aux petites dimensions, les phénomènes physiques macroscopiques ne subissent pas seulement un diminution linéaire de leurs effets. Certains phénomènes négligeables deviennent prépondérants, comme la capillarité ; inversement, d'autres forces telles que la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) deviennent négligeables. Afin d'appréhender plus facilement les caractéristiques d'un système microfluidique, plusieurs grandeurs sans dimension ont été introduites. La plus répandue est probablement le nombre de Reynolds Re, proposé en 1883, qui caractérise le rapport entre les forces d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...) et les forces de viscosité. Les systèmes microfluidiques sont généralement caractérisés par un petit nombre de Reynolds : les forces de viscosité sont prépondérantes. Ce comportement se traduit par des flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) laminaires. On peut également citer le nombre de Péclet Pe, liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre....) convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de...) et diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...), et le nombre de Knudsen Kn, permettant de classifier les milieux continus. Squires et Quake décrivent en détail la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et les nombres adimensionnels à l'échelle du nanolitre.

\mbox{Re} = \frac{\rho\,d\,V}{\eta} = \frac{d\,V}{\nu}

Avec :

  • ρ la masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) (kg.m-3) ;
  • d la taille caractéristique du système (m) ;
  • V une vitesse (On distingue :) caractéristique (m.s-1) ;
  • η la viscosité dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) du fluide (kg.m-1.s-1, Pa.s, ou Pl) ;
  • ν la viscosité cinématique (En physique, la cinématique est la discipline de la mécanique qui étudie le...) du fluide (m².s-1).

Lorsque la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) caractéristique d décroît et la viscosité ν augmente, le nombre de Reynolds diminue fortement. La fluidique à bas nombre de Reynolds possède certaines caractéristiques remarquables. Un petit nombre de Reynolds entraîne souvent un écoulement laminaire : il est stable, et les lignes de courant sont bien dessinées. Au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...), les forces de contact entre le liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) 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.

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