Goutte à goutte 

La microfluidique, une jeune discipline pleine d’avenir

Quoi de plus naturel dans notre pays que d’étudier les gouttes d’eau ? Naïvement, on pourrait croire qu’on en a vite fait le tour. Pourtant, elles demeurent très mystérieuses… La physique des fluides a été développée principalement pour étudier la météo ou les courants marins : elle reste bien souvent muette sur le comportement d’une gouttelette isolée. Pour étudier cela, il a fallu attendre la naissance de la microfluidique, il y a cinq ans environ. Malgré son extrême jeunesse, cette nouvelle science laisse déjà espérer un nombre impressionnant d’applications pluridisciplinaires : pare-brise allergique à la pluie, lentille liquide à focale variable, laboratoire biotechnologique miniaturisé, nouveaux médicaments, etc.

Une larme pour les gouttes

De nombreux laboratoires de l’université de Liège sont concernés par la manipulation des gouttelettes. Ils sont rassemblés au sein de la plate-forme “Larme” (Laboratoires pour les applications et les recherches en microfluidique et en électronique), créée par les Prs Nicolas Vandewalle et Jacques Destiné. « Si on trace le bilan de ce qui se fait à Liège dans ce domaine, on se rend compte qu’on se positionne très bien en Belgique et en Europe », se plaît à préciser Nicolas Vandewalle, directeur du Group of Research and Applications in Statistical Physics (GRASP) au département de physique. Et les enjeux sont énormes. Voyons cela de plus près.

Aujourd’hui, une analyse biomédicale requiert encore la prise d’une quantité importante de sang, alors qu’en réalité une seule goutte microscopique contient déjà à elle seule tout le matériel biologique nécessaire à une batterie de tests. Cependant, le mélange de deux fluides en microquantités est difficile à l’échelle du micromètre. Aussi faut-il faire preuve de ruse pour forcer une goutte de sang à se mélanger avec un autre réactif en vue d’être analysée…

La première idée a été d’injecter les microfluides dans des microcanaux qui se croisent et se recroisent, dans l’espoir d’un mélange. Cette microtechnologie est extrêmement développée outre-Atlantique, à tel point que l’Europe pourra difficilement rattraper son retard. Qu’à cela ne tienne, elle s’est engagée sur une voie alternative : « Au lieu d’emprunter des microcanaux, nos gouttes vont se déplacer d’elles-mêmes, à l’air libre, vers différents capteurs disposés sur un substrat, dévoile Nicolas Vandewalle. C’est une alternative qui n’est pas du tout envisagée du côté américain : on a une carte à jouer en Europe. » C’est d’ailleurs la raison d’être du réseau européen “COST-Physics of droplets”, coordonné par le Dr Stéphane Dorbolo au GRASP. Cette collaboration, qui démarrera officiellement en 2006, rassemble 22 équipes de chercheurs européens intéressés par la physique des gouttes.

Planche à clous

Pour qu’une goutte se balade seule sans mouiller son support, il faut utiliser une surface dite “fakir” : au lieu d’être lisse, ce type de surface est parsemé d’une myriade de minuscules pointes. Il est alors possible à une goutte qui tombe sur une telle surface de ne pas s’étaler et de conserver sa forme sphérique. « Notre labo collabore avec le Centre spatial de Liège et Serge Habraken (chargé de cours ULg) pour créer des surfaces “fakirs” avec une densité de défauts variable d’un endroit à un autre », explique Nicolas Vandewalle. En effet, une goutte déposée sur une telle surface ne présentera alors plus un angle de contact uniforme, ce qui induira une force au sein de la goutte capable de la déplacer. De la disposition des pointes microscopiques dépendra la direction prise par la goutte. « Une telle réalisation serait un bel exploit. On y arrivera… en 2006 », poursuit le Pr Vandewalle avec enthousiasme.

Loin d’être en manque d’imagination, les membres du GRASP ont aussi comme ambition la mise au point, toujours dans le courant 2006, d’une technique pour contrôler la taille d’une goutte mais aussi pour la rendre manipulable à la main. Le truc ? Tout est basé sur une découverte récente étudiée à Liège : lorsqu’une goutte tombe à la surface d’un liquide, elle flotte pendant une fraction de seconde, puis une partie importante fusionne avec le liquide, tandis que le reste rebondit sous forme d’une gouttelette plus petite… qui va à son tour se déposer durant une fraction de seconde à la surface du liquide, avant de diminuer de taille et le processus se poursuit ainsi en cascades. « Notre laboratoire détient le record du monde avec l’observation de sept cascades successives, annonce le chercheur. On part d’une goutte d’un millimètre de diamètre et on termine avec une gouttelette 20 fois plus petite. » Ce phénomène est intéressant, car il permet de créer une goutte de toute petite taille. Le GRASP travaille sur la mise au point de plusieurs techniques capables de récupérer la goutte entre deux cascades, une fois qu’elle a atteint la dimension désirée. L’une d’entre elles consiste à l’enrober d’un polymère qui, une fois éclairé à l’UV, se solidifie. La goutte peut alors être transportée. Ensuite, il suffit de faire fondre la coque extérieure pour la récupérer. De nombreuses firmes, notamment pharmaceutiques, sont intéressées par ces encapsulations de liquide.

 

Elisa Di Pietro
Photos JL. Wertz

 

Contacts : Nicolas Vandewalle, tél.04.366.37.03, courriel nvandewalle@ulg.ac.be, site www.grasp.ulg.ac.be

 

Souvenirs… Souvenirs…

Difficile d’évoquer la mécanique des fluides sans s’arrêter sur l’illustre Joseph Plateau, sorti docteur de l’université de Liège en 1829. Ce physicien belge s’est attaché à comprendre le phénomène de persistance rétinienne : lorsqu’un objet disparaît de notre vue, notre œil garde son image en mémoire durant une fraction de seconde, donnant une impression d’“encore-là”. Ses études pionnières l’amenèrent à mettre au point l’ancêtre du stroboscope (phénakistiscope)… mais aussi à brûler ses yeux en observant le Soleil.

Notre précurseur du cinéma a aussi été un spécialiste des fluides. Il est l’auteur, entre autres, de deux gros ouvrages qui résument ses décennies de recherche sur le comportement des fluides soumis aux forces capillaires. Parus en 1873, ils sont encore cités aujourd’hui. Il a également prêté son nom à l’instabilité de Plateau-Rayleigh, responsable de la formation de chapelets de gouttelettes sur les toiles d’araignée, par exemple. Et lorsque les amateurs de bulles de savon parlent des bords de Plateau, c’est encore de lui qu’il s’agit…

Pour une biographie de Joseph Plateau, rédigée par un membre de sa famille, voir le site www.grasp.ulg.ac.be/private/plateau.pdf

Les gouttes liégeoises s’exposent

Le Group of Research and Applications in Statistical Physics (GRASP) de l’ULg a illustré ses recherches sur les gouttelettes dans un petit film qui vient d’être primé par l’American Physical Society (APS). Présenté à Chicago en novembre dernier lors d’un important colloque sur la dynamique des fluides, ce film a été sélectionné pour entrer dans la prestigieuse Gallery of Fluid Motion. Chaque année depuis 1985, l’APS récompense ainsi les plus belles photos et les plus beaux films mettant en scène des fluides. « C’est la première fois qu’un film sur des gouttes qui interagissent est récompensé, souligne le Pr Nicolas Vandewalle, directeur du GRASP. En général, ce sont les phénomènes météorologiques et marins qui ont la cote. »

Il y a deux ans, le GRASP avait déjà collaboré à un film primé. Mais, en 2005, la réalisation est purement liégeoise. « C’est principalement un de mes étudiants, Denis Terwagne, qui s’en est chargé, dans le cadre de son mémoire de fin d’études », avoue humblement notre professeur.

D’entrée de jeu, le film plaît par son apparente simplicité, la grâce de ses gouttes et son fond sonore original. Une goutte flottant sur un liquide et d’autres marchant au pas sur l’eau, que d’images insolites ! Ces merveilles durent en réalité une fraction de seconde ! Le ralenti dévoile ainsi la beauté de ces phénomènes qui nous entourent, mais dont l’observation est difficile sans le matériel adéquat… « Quoique… Avec un peu d’attention, on peut voir les gouttes d’un percolateur surfer une demi-seconde à la surface du café avant de coalescer », reprend notre expérimentateur.

Le film peut être visionné sur le site du GRASP :
www.grasp.ulg.ac.be/private/gallery_dancing_droplets.mov
Pour la Gallery of Fluid Motion, voir http://pof.aip.org/pof/gallery/