Piloter le mélange des suspensions à l’aide particules (ré-)actives à leur environnement. – TunaMix

Sur la base de résultats préliminaires prometteurs obtenus par le consortium, ce projet vise à explorer la pertinence d’exploiter des mécanismes microscopiques de « sensibilité à l’environnement » pour contrôler le transport macroscopique de particules et macromolécules. Les stratégies habituelles pour améliorer le mélange consistent à agiter le fluide afin de promouvoir l’advection et de compenser la faible efficacité de la diffusion moléculaire. Nous proposons ici une nouvelle approche, exploitant des phénomènes phorétiques de « sensibilité à l’environnement » pour augmenter la mobilité des entités mélangées. Ces mécanismes peuvent être aussi simples que des colloïdes répondant à un environnement chimique ou thermique inhomogène, et aussi génériques que la nage de micro-organismes dans les océans ou les bio-réacteurs. Ces mécanismes remettent en question la description classique du transport de particules, montrant qu’une faible mobilité intrinsèque n’est pas une fatalité, mais que «la sensibilité à l’environnement» peut permettre de mieux contrôler la façon dont des particules intéragissent avec un écoulement de mélange. Par exemple, le groupe à l’ILM a montré que la diffusiophorèse (réponse à un gradient chimique) peut augmenter, par plusieurs ordres de grandeur la mobilité effective de colloïdes en présence de gradients salins. Dans ce projet, nous allons explorer comment une «sensibilité à l’environnement» combinée à la mécanique des fluides peut permettre de contrôler (améliorer, réduire ou même inverser) le mélange de particules à des échelles allant de micro-canaux aux écoulements macroscopiques chaotiques et turbulents. La pertinence de cette approche a déjà été prouvée dans des études préliminaires réalisées par le partenaire ILM, qui a couplé pour la première fois advection chaotique et diffusiophorèse pour piloter le mélange de colloïdes en micromélangeurs. Ce résultat prometteur a motivé une exploration plus poussée vers des systèmes macroscopiques. Ceci a conduit à des collaborations préliminaires à l'intérieur du présent consortium associant un large éventail d'expertises («matière molle», mélange turbulent et chaotique). Ce consortium a démontré pour la première fois la persistance d’effets phorétiques chimiques à macro-échelle dans un mélangeur chaotique centimétrique en cellule de Hele-Shaw. En outre, des simulations numériques réalisées par le consortium, suugèrent que ces phénomènes sont associés à l'apparition d'effets de compressibilité effective liée à la divergence non-nulle du champ de vitesse diffusiophorétique des colloïdes. Ce projet s’appuie sur ces études préliminaires, montrant la pertinence de notre approche «bottom-up», pour explorer l’impact éventuel de tels effets phorétiques sur le mélange et le transport en écoulement macroscopique. Finissons par mentionner quelques unes des nouvelles perspectives fascinantes ouvertes par ce projet: l’intrigante possibilité de démélanger des particules (démixtion); la possibilité que «la sensibilité à l’environnement» affecte le mélange turbulent de particules; la possibilité de lier le cadre théorique décrivant la «sensibilité à l’environnement» en présence d’écoulement à la riche litérature sur le transport turbulent de particules inertielles ; la possibilité d'étendre le concept de «sensibilité à l’environnement» au cas des particules actives (auto-propulées) en écoulement complexe. Ce riche contexte montre que la combinaison de l'expertise du groupe à ILM, dont les résultats expérimentaux pionniers ont ouvert le domaine passionnant de l’étude de particules «sensibles à l’environnement», et des groupes à l'ENS Lyon et au LMFA, regroupant une expertise unique sur le transport turbulent ou chaotique de particules, offre des perspectives extrêmement prometteuses pour progresser dans la compréhension de nouveaux effets fascinants sur le mélange de particules.