Compression osmotique sur puce: des outils innovants pour le criblage de fluides complexes à l’échelle du nanolitre – OSMOCHIP

Solvay fait face à une demande croissante d’études de nouvelles formulations présentant un impact environnemental faible, et ce pour une large gamme d’applications. Élaborer leur diagramme de phase est une tâche simple mais fastidieuse: mélange manuel en voie liquide et observation visuelle du mélange. Ces tâches sont associées à des coûts élevés et des temps longs (typiquement 20-80 k€ et 1-4 mois). Ces tâches sont aussi très vite limitées lors de la manipulation de formulations concentrées, souvent fortement visqueuses voire gélifiées. Une stratégie pour surmonter ces limitations consiste à concentrer des formulations diluées en les dialysant contre des solutions à pressions osmotiques connues. Cette technique de compression osmotique est une alternative pour cribler continûment des formulations sans l’étape fastidieuse du mélange. Par ailleurs, cette technique permet aussi de mesurer des données fondamentales telles que l’équation d’état (EOS) de fluides complexes non-agrégés. Ces données sont fondamentales pour optimiser tout procédé hors-équilibre mettant en jeu des systèmes de la matière molle (séchage, enduction, séparation membranaire, etc.). Malgré sa pertinence pour la R&D, la compression osmotique est rarement utilisée, en raison des temps longs de mise à l’équilibre, et aussi car il est difficile de réaliser simultanément des mesures in-situ.

Le but d’OsmoChip est de développer des puces pour mimer la compression osmotique aux échelles microfluidiques. Les petits volumes combinés à de forts rapports surface/volume devraient considérablement diminuer les temps d’équilibrage de 2 à 3 ordres de grandeurs. De tels outils permettraient aussi de réaliser des mesures in-situ (diffusion des rayons X, spectroscopie, microscopie…) pour sonder la microstructure des formulations lors de leur compression. Ces outils devraient permettre in-fine un criblage haut-débit de formulations (100/puce/jour), dépassant ainsi les difficultés actuelles de la R&D à mettre rapidement sur le marché de nouvelles formulations. Au-delà de cet impact industriel, ces outils devraient aussi permettre de mesurer des EOS à un niveau inégalé de précision, de rapidité et de reproductibilité (par rapport aux mesures réalisées aux échelles macroscopiques) en raison de l’excellent contrôle du transport de masse à l’échelle du nanolitre. Par ailleurs, des mesures de relaxation vers l’équilibre devraient mener à des mesures de coefficients hors-équilibres, telles que le coefficient de diffusion collectif. Les mesures macroscopiques de ces coefficients sont difficiles, mais ces données sont à nouveau fondamentales pour l’optimisation de nombreux procédés.

Pour atteindre ces objectifs, OsmoChip est organisé autour de 3 workpackages. WP1 concerne l’intégration de membranes avec diverses tailles de pores et natures chimiques, dans différentes puces en fonction des applications visées. WP1 est dédié à la fois au développement de protocoles de microfabrication, mais aussi à la caractérisation des membranes. WP2 utilisera ces dispositifs pour mesurer des EOS de fluides complexes et les coefficients de transport associés. Le but de WP2 est d’optimiser cette technique de compression osmotique microfluidique. Nous aborderons aussi dans WP2 des questions fondamentales liées au confinement (e.g. compression osmotique anisotrope), à l’aide de mesures in-situ et de modélisations des transports de masse. WP3 concernera la mise en place de plateformes microfluidiques pour manipuler des formulations industrielles (dispersions, solutions de tensioactifs/polymères, etc.) et cribler leurs diagrammes de phase à haut-débit. WP3 concernera à la fois le développement de ces plateformes automatisées, mais aussi les techniques de mesures in-situ associées. Les livrables de WP3 seront des démonstrations des potentialités de ces plateformes pour différentes formulations de Solvay, tout particulièrement concernant le criblage de dispersants de pigments en phase aqueuse.