CE42 - Capteurs, instrumentation

Mesure in situ des micro viscosités dans des systèmes complexes en utilisant des rotors moléculaires. – MicroVISCOTOR

Mesures in situ de la microviscosité dans des systèmes complexes à l'aide de rotors moléculaires

La microrhéologie des systèmes complexes est confrontée à des défis importants : 1) mesures in situ dans des systèmes confinés ; 2) mesures en ligne dans des microsystèmes dynamiques, et 3) cartographie de la viscosité à l'échelle nanométrique. <br />MICROVISCOTOR propose de développer un dispositif microfluidique capable de mesurer et de cartographier en ligne et en temps réel les microviscosités à résolution spatiale et temporelle de fluides complexes en utilisant des rotors moléculaires.

Conception et fabrication de micrdevicaes sensibles à la microviscosité dans des fluides complexes

L'objectif général du projet MICROVISCOTOR est le développement d'un dispositif microfluidique capable de mesurer en ligne et en temps réel la microrhéologie avec une résolution spatiale et temporelle. L'idée est d'appliquer ce dispositif à la mesure de la microviscosité dans des fluides complexes. Pour cela, ce projet propose : <br />- La preuve du concept et de la faisabilité de l'utilisation de rotors moléculaires pour réaliser la cartographie de la microviscosité dans des systèmes avec des fluides complexes. <br />- La conception et la fabrication d'un dispositif pour le suivi in situ et en ligne des changements de viscosité dans des fluides complexes ; ce dispositif impliquera des polymères fonctionnalisés par des rotors et greffés sur les microcanaux internes. <br />- La conception et la fabrication d'un dispositif pour la mesure et la cartographie in situ et en ligne des microviscosités dans des émulsions et des micelles confinées (gouttelettes, micelles...).

Le projet consiste en plusieurs tâches : 1) Étalonnage de la réponse du rotor à la viscosité du milieu environnant, à la fois par spectroscopie en régime permanent et par spectroscopie résolue dans le temps. Ceci sera réalisé en mesurant la fluorescence et le temps de décroissance du rotor dans des fluides de viscosité connue. La validation de la méthodologie sera effectuée en appliquant cette approche à des systèmes de comportement connu.
2) Conception et préparation d'un polymère fonctionnalisé par un rotor greffé. Cela comprend un polymère fonctionnalisé avec les rotors par la copolymérisation de monomères fonctionnalisés avec les rotors ou la création d'un initiateur fonctionnalisé avec les rotors.
3) Mise en œuvre d'émulsions dans des dispositifs microfluidiques.
4) Préparation du dispositif microfluidique pour la mesure en ligne.
5) Préparation de dispositifs microfluidiques pour la mesure de gouttelettes confinées.

Globalement, le programme de travail présenté dans ce projet 1) permettra la conception de dispositifs et de capteurs rentables de type «laboratoire sur puce« ; 2) produira des résultats utiles pour mieux mettre en œuvre des fluides complexes dans des dispositifs microfluidiques ; 3) donnera un aperçu des défis fondamentaux de la rhéologie des fluides complexes.

Nous avons fait la preuve du concept et de la faisabilité de l'utilisation de rotors moléculaires pour réaliser la cartographie de la microviscosité dans des systèmes contenant des fluides complexes. Lors d'un co-écoulement de diméthylsulfoxyde (DMSO) et de glycérol à l'intérieur d'une puce microfluidique à jonction Y, la cartographie de la viscosité a été réalisée le long du canal de mélange avec une bonne résolution spatiale et en temps réel. Une courbe de calibration basée sur l'équation de Forster-Hoffman précédemment établie nous a permis de retrouver la viscosité locale à partir de la réponse de fluorescence du DCVJ et de réaliser la cartographie de la microviscosité. Les profils de concentration le long du microcanal ont été ajustés. ce qui nous a permis de calculer le coefficient d'interdiffusion effectif du glycérol aussi.

La synthèse d’un materiel polymèrique comportant des rotors moléculaires greffés a été envisagé en utilisant un copolymère linéaire à blocs fonctionnalisé par la 9-(2-carboxy-2-cyanovinyl) julolidine (CCVJ). La CCVJ est choisie car elle présente un groupe carboxylique qui peut être modifié tout en préservant la fonctionnalité d'un rotor moléculaire.
Des macromonomères fonctionnalisés CCVJ ont été synthétisés par condensation de cyanoesters et de julolidine aldéhyde (Figure 2a du rapport). Les cyanoesters ont été obtenus par estérification de l'acide cyanoacétique avec du méthacrylate d'hydroxyéthyle (HEMA) induite par le N-éthyl-N'-(3-diméthylamino propyl)carbodiimide, tandis que l'aldéhyde de julolidine a été obtenu par formylation de la julolidine avec de l'oxychlorure de phosphore et du diméthylformamide.
Le macromonomère fonctionnalisé par le CCVJ sera copolymérisé avec l'acrylamide de diméthyle (DMAA) par transfert de chaîne par addition-fragmentation réversible (RAFT). L'ensemble de la chaîne de polymères CCVJ sera greffé sur la surface de la puce microfluidique en PEG-DA par photo-polymérisation.

L'arrivée de la postdoctorante (Florence Gibouin) est prévue pour le 3 mai 2021. Elle travaillera sur la cartographie in situ et en ligne des microviscosités au sein des émulsions et de micelles confinées dans des microcanaux.

Les résultats marquants décrits dans le rapport ouvrent la voie à des études plus approfondis sur 1) la microviscosité de systèmes complexes et 2) l’utilisation de matériaux polymériques sensibles à la viscosité dans diverses applications.

Deux publications sont en cours d'écriture et il est planifié que la doctorante participe à la Conference ACS 2021 d'été (par visioconférence, abstract envoyé)

Deux publications sont en cours d'écriture et il est planifié que la doctorante participe à la Conference ACS 2021 d'été (par visioconférence, abstract envoyé)

La micro rhéologie étudie la viscoélasticité des matériaux en considérant les changements de leur comportement dynamique avec les changements d’échelle. La micro rhéologie de fluides complexes est un sujet d’extrême importance d’un point de vue industriel qui fait face à plusieurs verrous : 1) mise en œuvre de mesures in situ dans des systèmes confinés, 2) mise en œuvre de mesures en ligne dans des microsystèmes dynamiques, 3) mise en place d'une cartographie de la viscosité à l’échelle nanométrique. La micro rhéologie est intimement liée à la micro fluidique, qui étudie les phénomènes concernant l’impression par jet d’encre, l’impression 3D, la micro électrophorèses sur puce, les micro vannes et la cristallisation des protéines. La superposition est donc, très forte et la mécanique de matériaux à l’intérieur des géométries confinées est un champ de recherche important pour ces deux disciplines. Le comportement dynamique et micro rhéologique des fluides confinés changent souvent fortement, en particulier quand ils sont confinés dans un environnement proche d’une paroi. Il faut donc considérer que les caractéristiques physiques des interfaces gas/liquide/solide imposent la nécessité de méthodes optimisées de mesure microrhéologiques à la surface. Pour le moment, les rhéomètres mécaniques couramment utilisés ne permettent pas de mesurer la viscosité des micro systèmes et, par conséquent, ne permettent pas d’effectuer des mesures en temps réel ou d'obtenir une cartographie spatiale et résolue dans le temps des systèmes confinés. MICROVISCOTOR propose une stratégie innovante pour développer un capteur micro fluidique capable de mesurer et cartographier en ligne et en temps réel la micro viscosité des liquides complexes de façon résolue dans le temps et dans l’espace lors de leur écoulement dans des micro canaux en utilisant des rotors moléculaires.

Coordinateur du projet

Madame Yaocihuatl Medina-Gonzalez (LABORATOIRE DU FUTUR)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LGC LABORATOIRE DE GENIE CHIMIQUE
IMRCP LABORATOIRE INTERACTIONS MOLECULAIRES ET REACTIVITE CHIMIQUE ET PHOTOCHIMIQUE
LOF LABORATOIRE DU FUTUR

Aide de l'ANR 394 634 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2019 - 42 Mois

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