Near-surface transport of polymer solutions and time-dependent soft microfluidics
Transport interfacial de polymères en solution et dynamique en microfluidique déformable
Résumé
Flows of polyacrylamide (PAM) solutions under micrometric confinement are experimentally studied. By combining microfluidics, evanescent wave microscopy and particle tracking velocimetry, we measure the velocity field within the first few hundred of nanometers in the vicinity of a glass surface. Our measurements allow to simultaneously access the rheological behavior of the sample, and the hydrodynamic boundary condition. While the observed shear-thinning of polymer solutions is consistent with standard measurements, the boundary conditions are shown to be non-trivial and mediated by electric charges. Neutral PAM samples display a chain-sized adsorbed layer, which shifts the no-slip plane accordingly and decreases the effective size of the channel. Conversely, anionic hydrolyzed PAM solutions show apparent slip at the wall, synonymous with permeability increase. The latter was attributed to the presence of a thin low-viscosity lubrication layer close the channel surface, due to electrostatic repulsion of polymer chains. To further characterize flows at the scale of the microfluidic device, the flow rate and pressure are measured in real time at the inlet of the elastomeric channel. Significant deformations of the conduit cause non-linear flow rate vs. pressure relation, and a finite relaxation time upon pressure change, the latter attributed to a volume-storage capacity. We propose an elastohydrodynamic model to quantitatively rationalize these observations, with focus on the dynamical part of the problem. The latter is based on the lubrication equation, the local elastic response of the elastomer, and specifically takes into account the effect of the peripheral sensors. Finally, and as a perspective, a setup able to simultaneously and dynamically achieve local microscopy and global flow measurement in complex fluids is proposed.
Des écoulements de polyacrylamide (PAM) en solution sont étudiés en confinement micrométrique. En utilisant microfluidique, microscopie à ondes évanescentes, et suivi de particules, nous mesurons le profil de vitesse au voisinage d'une paroi en verre. Ces données permettent d'accéder simultanément à la rhéologie du fluide, et à la condition aux limites hydrodynamique. Tandis que l'on retrouve le comportement rhéofluidifiant standard des solutions de polymères, nous montrons que la condition aux limites est complexe, et gouvernée par des effets électrostatiques. Les polymères neutres s'adsorbent à la paroi, ce qui décale le plan de non-glissement d'une distance comparable à la taille des chaines. Inversement, les PAM hydrolysés, anioniques, présentent un glissement apparent, qui s'interprète par la présence d'une fine couche de faible viscosité proche de l'interface, due à la répulsion polymère/surface. Pour caractériser plus en détails les écoulements à l'échelle du canal entier, le débit et la pression sont mesurés en temps réel en amont de la puce élastomérique. Des déformations importantes causent une forte non-linéarité entre ces deux quantités, et sont à l'origine d'un temps de relaxation du système lors des changements de pression, attribué à des effets capacitifs. Nous proposons un modèle élastohydrodynamique pour rationaliser quantitativement ces observations, en particulier le comportement dynamique du système. Ce dernier est basé sur l'équation de lubrification, la réponse élastique locale de l'élastomère, et prend en compte les effets des capteurs. Pour finir, et en guise de perspective, nous proposons un montage pouvant effectuer simultanément et de façon dynamique microscopie locale et mesure de débit dans les fluides complexes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|