Quelques mots sur l`hydrodynamique à faible nombre de Reynolds

Quelques mots sur
l’hydrodynamique à faible
nombre de Reynolds
Applications à la nage et survie des bactéries et
aux biotechnologies
(P. Nelson – Biological Physics – energy, information, life - FREEMAN 2004)
Une manip spéciale
• Opération de mélange du glycérol
Fluide laminaire
fluide
force
visqueuse
produite
par le fluide
Nombre de Reynolds
vitesse V
R=
f inertie
f vis cos ité
=
vrρ fluide
η fluide
v = vitesse
r = rayon sphère
ρ fluide = masse volumique
η fluide = viscosité
R<<1 forces visqueuses dominent, le profil du fluide est laminaire
R>>1 force d’inertie dominent, le profil du fluide est turbulent
Exemples extrêmes
• Baleine de 30 m qui nage à 10 m/s dans l’eau η=0,001 Pa.s:
R ~ 300000000
• Bactérie de 1 µm à 30 µm/s dans l’eau:
R~0,00003!
Pour être dans le même régime la baleine doit nager dans l’eau à
une vitesse de 1013 plus petite ou dans un liquide 1013 plus
visqueux que l’eau!
La façon de nager change dans un milieu très visqueux
Deux mots sur la nage des bactéries
Nage efficace à petit R ->
Fluide laminaire et vie des bactéries
• Diffusion biaisée pour « E.Coli contre la montre » (diffusif): mécanisme de chemotaxie
hautement efficace (robustesse et sensibilité aux gradients de concentration)
• Comment autrement capturer la nourriture? Ou s’échapper d’un prédateur?
Tout mouvement entraîne aussi le mouvement du liquide autour (la nourriture
s’échappe et le prédateur nous suit sans effort…)…
Changer rapidement R!
Petit crustacée Cyclops accélère à 12 m/s
Protozoaire Vorticella : contraction de la queue de la moitié a 80 mm/s (spasmonème)
Des micro et nanobjets qui « bougent »
dans un fluide
Idée: contrôler la diffusion et les déplacer par un flux hydrostatique
Lithographie moue (et rapide) pour créer les
microcircuits de canaux
• Matériel formé par un polymère élastique (PDMS) modelé sur un schéma
dessiné sur une barre de silicium par lithographie classique. Les canaux
formés dans le matériel élastique peuvent en principe prendre toute forme
Multiphase fluid flow Pressure
or
Syringe
pump
High speed camera + Objective
(depuis M. Abkarian, LCVN Montpellier)
http://gmwgroup.harvard.edu/
Contrôler le profile et l’état d’un fluide complexe
1. Gradients de molécules
2. Gradients en température
Elena, Lab-on-achip (2006)
3. Microchambres de réaction
4. …
(depuis M. Abkarian,
LCVN Montpellier)
Gradient
volumique
Exemples de manipulation de fluides complexes
Microréacteurs: e.g. cristallisation des protéines
Joshua et al. Langmuir (2003)
(depuis M. Abkarian,
LCVN Montpellier)
Exemples de manipulation de fluides complexes
(depuis M. Abkarian,
LCVN Montpellier)
Exemples de manipulation de fluides complexes
Production de gouttes mono disperses, capsules ou même de boulles
colloïdales renforcées pour la délivrance des médicaments
Utada et al., Science (2005)
Subramanian et al., Nature Materials (2005)
(depuis M. Abkarian, LCVN Montpellier)
Le sang et la microcirculation
2µm
• - Fonction de Transport
• - Composition: plasma (liquide) + cellules
8µm
sanguines ou autre microparticule
• - Longueur du système de circulation sanguine : 105 km !
• - Moitié fait par des capillaires (f~5-10mm) !!!!!!
• - Systèmes microfluidique naturel et complexe
• - La microfluidique est une outil fondamentale pour mimer ou
étudier les propriétés du flux sanguin et donc de toute
utilisation relative dans ce liquide complexe
Exemples d’études sur les cellules sanguines
Exemples d’études sur les cellules sanguines
Exemples de manipulation de cellules
… et aussi pour les étireuses optiques de cellules
cancéreuses (screening à haut débit)
Faisceau faiblement concentré:
étireuse optique
Apparat microfluidique+étireuse :
Test des propriétés mécaniques des cellules
-> utilisation en diagnostic de cancer
• en effet les cellules malignes perdent
une partie considérable de leur élasticité
• méthode plus rapide et en parallèle en
contexte microfluidique
http://www.uni-leipzig.de/~pwm/kas/modul_opticalforces/theory.html