Réseaux Microfluidiques Adaptatifs Optimisant le Transport – AMNOT

Les écoulements dans des réseaux complexes sont omniprésents dans les systèmes biologiques comme artificiels : notre système vasculaire, le mycélium des champignons, les milieux poreux constituant les batteries en sont autant d'exemples. Il a longtemps été pensé que les morphologies des réseaux de transport biologiques étaient optimisées pour minimiser le coût énergétique d'écoulements visqueux dans les branches du réseau. Cependant, une autre hypothèse plus récente est que ces réseaux sont optimaux pour le transfert de masse, ou pour la perfusion du milieu environnant. Le but est alors non seulement d'avoir un réseau couvrant l'espace de manière efficace, mais aussi que les écoulements soient uniformes au sein de toutes les branches du réseau. Cet écoulement uniforme dans le réseau permet alors que toutes les branches du réseau reçoivent la même quantité de produits chimiques (oxygène, catalystes, nutriments,...) transportés par l'écoulement, et donc une perfusion homogène, ce qui est considéré comme optimal.

Les systèmes vivants adaptent continuellement la morphologie de leur réseau en réponse à des stimulus. Des structures de réseau auto-organisées optimales pour la perfusion émergent par une combinaison de réponses locales à des stimulus locaux, couplées à la présence d'un écoulement global au sein du réseau. Ceci donne lieu à des réseaux auto-organisés où la vitesse est uniforme dans toutes les branches. En revanche, dans des milieux poreux aléatoires, les vitesses d'écoulement diffèrent d'un tube à l'autre, et sont distribuées selon une loi exponentielle : le transport à travers ces milieux poreux est limité à quelques branches où l'écoulement est rapide, tandis que le reste du réseau n'est le siège d'aucun écoulement ou presque. Le transport dans ces milieux poreux artificiels, comme celui qui constitue les batteries, est donc largement inefficace. La stratégie actuelle pour optimiser l'écoulement dans les milieux poreux consiste à construire, branche par branche, une morphologie de réseau optimisée.

L'objectif de notre projet est de combiner théorie, simulations et expériences pour générer des réseaux microfluidiques adaptatifs, dont la morphologie s'auto-organise en réponse à des signaux, conduisant à des morphologies de réseau optimales pour la perfusion. Ceci sera rendu possible par une combinaison de réponse locale au stimulus et couplage global par l'écoulement. En plus de son intérêt fondamental, les résultats de ce projet auront de nombreuses applications, allant de la conception et refroidissement de batteries plus efficaces, à la production de réacteurs chimiques améliorés avec une haute efficacité de transport et une grande surface de réaction, contribuant ainsi à la production d'une énergie plus propre et plus abordable.