Interaction Fluide-Structure des microgels dans les systemes microfluidiques simples

Quel est le rapport entre l’aspiration de perles de tapioca à travers une paille et les tests génétiques microfluidiques ? Tous deux impliquent de faire passer des billes déformables à travers une constriction. Comprendre le transport de ces particules molles est utile pour une large gamme de technologies microfluidiques, en particulier lorsque les particules subissent de grandes déformations. Dans cette thèse, j'étudie l'interaction fluide-structure de billes de gel déformables lorsqu’elles se pressent dans et à travers des constrictions microfluidiques.La première étude réalisée dans cette thèse examine comment une particule entre dans une constriction. Pour ce faire, l’écoulement est utilisé pour piéger une bille de gel sphérique dans une section étroite d’un microcanal. En augmentant la pression, la bille entre de plus dans le resserrement. La déformation de la bille peut être décrite par un modèle de Hertz, reliant la pression autour de la bille, son élasticité, et la géométrie des billes et du canal. En pratique, nos résultats forment la base d’une nouvelle méthode pour mesurer l'élasticité de particules dans un microcanal.L'entrée d'une particule dans une constriction agit également comme une valve qui bloque l'écoulement de fluide. En effet, l’écoulement au niveau d’une bille piégée dans une constriction est une fonction non-linéaire de la pression : le débit commence par s’accroître avec la pression jusqu'à atteindre un maximum, puis diminue et finit par s’arrêter complètement aux hautes pressions. Cette diminution du débit est liée à l’augmentation, sur plusieurs ordres de grandeur, de la résistance hydrodynamique de la bille lorsqu’elle pénètre dans la constriction. Les simulations montrent que le gradient de pression hydrodynamique s’établit alors principalement dans une zone interstitielle, entre la bille et les parois du microcanal. La résistance hydrodynamique est directement reliée à la surface de cette zone, comme dans un écoulement de Poiseuille. En combinant un modèle hydrodynamique reliant la résistance hydrodynamique à la forme déformée du gel, ainsi qu’un modèle de mécanique reliant la déformation du gel à la pression, un nouveau modèle couplé est proposé, permettant de déterminer l’écoulement dans le canal en fonction de la pression imposée. Ce modèle de valve est capable de prédire pour quelle pression le débit est maximal au niveau de la bille, et montre que la valeur de ce flux maximum augmente linéairement avec l'élasticité du gel. Le modèle permet également de prédire la pression à laquelle une bille entre complètement dans une constriction.La deuxième étude reprend après l'entrée d'un gel dans une constriction. Les billes de gel sont acheminées à travers un comparateur microfluidique afin de mesurer leur vitesse ainsi que la résistance hydrodynamique qu’elles ajoutent au canal. La vitesse des billes suit de près celle du fluide environnant. La résistance ajoutée des billes dépend faiblement de leur taille et donc de la constriction du gel, ainsi que de leur élasticité. Des simulations de contact sont utilisées pour comprendre plus précisément comment les billes se déforment. Pour compléter le modèle, j'utilise la théorie de lubrification élastohydrodynamique pour montrer la dépendance de la résistance ajoutée aux propriétés du gel. Je trouve un très bon accord entre la friction lubrifiante prédite et la friction mesurée entre la bille et le microcanal. L'épaisseur de la couche de lubrification augmente à la fois avec la vitesse de l’écoulement et la contrainte exercée par le canal sur la bille.En fournissant un aperçu de l'interaction fluide-structure du gel dans des systèmes simples, cette thèse ouvre également la voie à la compréhension et au contrôle de systèmes microfluidiques beaucoup plus complexes, et au-delà de l'aspiration de billes dans une paille.What does sucking a tapioca ball through a straw have to do with microfluidic digital genetic testing? Both involve flowing soft spheres through a constriction. Understanding the transport of these soft particles is useful for a wide range of microfluidic technologies, especially when the particles undergo large deformations. In this thesis I investigate the fluid structure interaction of soft gel particles as they squeeze into and through constrictions which would typically be found in a microfluidic device.The first study done in this thesis looks at how a particle enters into a constriction. To do this, flow is used to trap a spherical gel bead at narrow section of the microchannel. By increasing the pressure behind the bead, the bead enters further and further into the constriction. Numerical simulations data is combined with the experimental data to show how the pressure drop is distributed across the bead. The deformation of the bead can be modeled by Hertzian mechanics, relating the applied pressure, bead and channel geometry, as well as the bead elasticity. In practice, this is a novel method for measuring the elasticity of particles in a single thickness microchannel.The entry of a particle into a constriction also acts as a valve that blocks the fluid flow. In effect the flow past the bead increases with pressure until it reaches a maximum before then reducing and plugging entirely. The hydrodynamic resistance of the trapped bead increases several orders of magnitude over the course of the bead penetration. Fluid simulations show that pressure drops considerably at the point of minimal cross sectional area to flow, in the corners between the beads and the microchannel. This inverse squared of this area scales with resistance as would be the case for a Poiseuille flow. Combining the model for resistance as a function of deformation, with the model of deformation as a function of pressure, a new model is proposed relating pressure and flow past the trapped gel. This valve model is capable of predicting maximum flow rate and shows that this maximum flow rate scales linearly with the effective gel elasticity. It is also capable of predicting under what pressure a gel will squeeze completely into a constricting microchannel.The second study picks up after a gel has entered into a constricting channel. Gel beads are flowed through a microfluidic comparator in order to measure the added resistance of the gel, as well as their velocity. The speed of the beads follows closely that of the surrounding fluid. Meanwhile, the added resistance of the beads is found to be weakly dependent upon the size and thus constriction of the gel, as well as their elasticity. To aid in this analysis, contact simulations were used to see more precisely how the beads deform. Fluid simulation around deformed beads are used to relate the velocity to the pressure drop around the particle. To complete the model, I use elastohydrodynamic lubrication theory to show the dependence of added resistance upon the material properties of the gel and find strong agreement between predicted lubricating friction and measured friction between the bead and the microchannel. Lubrication thickness grows both with velocity and the constraining force of the channel upon the bead. I hypothesize this is due to the constrained gel forces flow through the lubrication layer more so than in unconstrained lubrication.By providing insight into the fluid-structure interaction of gel in simple systems, this thesis also paves the way for understanding and controlling much more complicated microfluidic systems, and beyond sucking balls through a straw