Séparation d'aérosols au moyen d'un dispositif microfluidique thermophorétique – AERATOR

L'étude de la dynamique des aérosols est cruciale pour le développement de nouvelles technologies qui peuvent aider à réduire l'impact des aérosols sur la santé humaine et le changement climatique. Ce projet vise à concevoir et fabriquer une preuve de concept de séparateur d'aérosols microfluidique au moyen de l'effet thermophorétique dans des écoulements de gaz (déviation des particules dans un champ de température). Le séparateur qui sera développé dans ce projet servira à collecter et à analyser des particules allant de 0,01 à 2,5 µm. Le consortium sera composé de trois équipes consolidées qui sont expertes en microfluidique expérimentale (ICA), méthodes numériques pour les gaz raréfiés (IUSTI) et le développement de plateformes microfluidiques multi-instrumentées (capteurs et micro résistances pour la gestion thermique) (LAAS). Une première étape importante du projet sera consacrée à caractériser expérimentalement la réponse physique des particules d'aérosol à un gradient de température dans des écoulements de gaz confinés. La distance de dépôt des particules sur la surface froide d'un canal et les efficacités de séparation seront mesurées pour différentes intensités de gradient de température et pour différentes tailles et conductivités thermiques de particules modèles sphériques. En parallèle, le consortium développera des modèles numériques du phénomène à l'aide de différents outils. Les équations de Navier-Stokes-Fourier, avec des conditions aux limites adéquates de glissement de vitesse et transpiration thermique et de saut de température, ne sont valables que pour les grosses particules d'aérosol. Cependant, la simulation du phénomène de thermophorèse devient un défi lorsque la taille des particules devient comparable au libre parcours moyen moléculaire du gaz porteur. Aux conditions atmosphériques, le libre parcours moyen moléculaire de l'air est d'environ 65 nm, donc pour des particules dont la taille est comparable à cette dimension, la modélisation du continuum devient invalide (gaz raréfié). La nouveauté du travail proposé consiste à développer une approche multi-échelle : les simulations basées sur une approche continue fourniront la connaissance des champs globaux de pression, température, vitesse du gaz vecteur ainsi que de la distribution de la densité des particules à l'intérieur du canal. La simulation du déplacement d'une particule d'aérosol soumise aux champs de gradient de pression et de température par l'approche cinétique permettra d'obtenir les expressions des forces thermophorétiques en fonction de différents types d'interactions gaz aérosol/particule de surface. L'intégration de ces données dans le modèle macroscopique des bilans de forces permettra d'améliorer les bases de données numériques existantes. Les résultats expérimentaux permettront de valider les modèles numériques. En utilisant les bases de données numériques et expérimentales créées, une première conception d'un prototype de micro séparateur thermophorétique sera fabriquée au moyen de techniques de lithographie modernes qui permettent l'intégration de capteurs sur puce et de gestion thermique. La microfabrication des prototypes pourra bénéficier de deux procédés de fabrication qui ont été développés et maîtrisés par le LAAS et qui seront optimisés pour répondre aux exigences du projet : (i) des diodes en polysilicium pouvant être utilisées comme micro-capteurs de température à haute performance et micro-éléments chauffants, et (ii) lamination de films secs sur puce pour obtenir sur plusieurs couches un alignement par photolithographie avec une résolution pour applications microfluidiques. Ce projet ambitieux produira le premier prototype microfluidique de séparateur d'aérosols thermophorétique en écoulement de gaz de la littérature.