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La microfluidique : une technique d'avant-garde pour la recherche d'IFP Energies nouvelles

Décembre 2014

Discipline en pleine expansion, la microfluidique est utilisée par IFP Energies nouvelles (IFPEN) dans un grand nombre de ses projets de recherche, notamment dans les domaines de la récupération assistée du pétrole (EOR-Enhanced oil recovery) et des biocarburants de 2e génération.

 

Nicolas Pannacci

Nicolas Pannacci,
     
chercheur à IFPEN
et chef du projet "MICROFLUX, microfluidique digitale pour le criblage haut débit",
  
nous présente les perspectives qu’offre la microfluidique.

 

Comment s’est développée la microfluidique ?

La microfluidique est toute récente ; elle a émergé réellement dans les années 2000. Depuis, elle est en plein essor. Pour preuve, l’explosion du nombre d’innovations et de publications qui en découlent ces dernières années (plus de 25 000 publications par an depuis 2012 à comparer à moins de 5 000 publications par an avant 2005) ! Elle est considérée par la communauté scientifique comme une technique d’avant-garde qui va révolutionner le laboratoire de demain.

 

La microfluidique : de quoi s’agit-il ?

Elle a trait à la manipulation et à l’analyse de fluides à l’échelle micrométrique (10-100 microns). Elle repose sur la fabrication de microscopiques canaux (le plus souvent dans des matériaux polymères souples) dans lesquels circulent différents fluides.

Selon l’application les écoulements sont soit simples (monophasiques), soit multiphasiques : des gouttes micrométriques d’un produit à étudier sont, par exemple, engendrées en faisant se rencontrer deux canaux, l'un contenant le produit et l'autre contenant le liquide transportant les gouttes formées après l'intersection des deux canaux. L’instrumentation doit au-delà de cette "microplomberie" s’adapter et jouer son rôle pour réaliser les mesures ou analyses.

 

Pourquoi cette technique apparaît-elle comme performante et révolutionnaire ?

Tout réside dans la miniaturisation.
En effet, au-delà de la réduction du volume de l’échantillon, le travail à toute petite échelle entraîne des propriétés particulières : écoulements laminaires, sans turbulence et avec peu d’inertie, sensibilité aux phénomènes capillaires, échanges thermiques et diffusifs plus rapides, ce qui conduit à des temps d’équilibrage très courts et donc à la possibilité de multiplier les mesures.

Par ailleurs, la miniaturisation permet de réaliser des essais avec une rapidité jamais égalée et à un coût minimum :

  • l’investissement de départ dans la microfluidique est relativement faible : des plaques constituant des moules avec des reliefs micrométriques réalisés par photogravure pour imprimer des microcanaux dans un matériau élastomère, des pompes et des microscopes ;
  • les systèmes microfluidiques peuvent être fabriqués au gré du besoin et de l’imagination. Il s’agit de véritables "microprocesseurs" pour les fluides ;
  • une automatisation de l’expérimentation est possible sans dégradation de performance.

 

Quels sont les apports de la microfluidique dans la recherche que vous conduisez à IFPEN ?

Actuellement, la microfluidique est surtout utilisée dans le cadre de l’étude de fluides complexes (suspensions émulsions, polymères en solution, etc.), pour comprendre et prédire leur comportement, ou pour optimiser leur formulation ou leur mise en œuvre. Cela concerne particulièrement les développements sur l’EOR ou les biocarburants de 2e génération.

La microfluidique permet de simplifier l’étude de ces fluides en se mettant à une échelle pertinente et en bénéficiant des effets physiques liés à cette miniaturisation. Développé depuis 5 ans, un laboratoire de microfluidique est opérationnel pour réaliser des microsystèmes en moins de 24 heures.

 

Comment utilisez-vous la microfluidique pour la récupération assistée du pétrole ?

La récupération assistée consiste à augmenter la quantité de pétrole extraite d’un gisement par l’injection de vapeur d’eau, de CO2 ou de viscosifiants et/ou de tensio-actifs (récupération chimique). Dans ce contexte, la microfluidique permet d’accéder expérimentalement à une échelle adéquate pour comprendre les écoulements complexes dans les roches, comme dans le cas d’une injection de mousse servant à mieux diriger les fluides.

En effet, un système microfluidique adapté permet de générer une mousse parfaitement contrôlée et d’obtenir des informations détaillées et quantitatives sur son évolution et son écoulement dans des situations de confinement modèles. Les formulations de mousses ou de solutions tensioactifs-polymères peuvent ainsi être optimisées et de nouveaux produits développés de même que de nombreux paramètres quantitatifs précis peuvent être obtenus, pouvant à terme alimenter les simulateurs d’écoulement. Outre la rapidité des diagnostics et la réduction des coûts de développement, la microfluidique apporte plus de sécurité. Les risques encourus sont beaucoup plus faibles lors de la manipulation de quelques microlitres comparés à ceux associés aux volumes classiquement utilisés pour effectuer des tests ou des analyses.

 

Quels sont les autres domaines d’application ?

Nous continuons d’explorer tout le potentiel qu’offre cette technique. Nous cherchons à étendre les possibilités de la microfluidique en pression et en température et à l’appliquer à de nouveaux domaines comme la production d’objets structurés ou la microchimie.

Nous souhaitons aussi développer de nouveaux supports microfluidiques résistant aux solvants.

Nous poursuivons par ailleurs nos travaux sur le développement d’expérimentations haut débit comme pour le criblage massif par microfluidique digitale de micro-organismes. Cela nous permettrait en quelques minutes d’identifier un organisme voulu, notamment parce qu’il porte une modification spécifique, parmi plusieurs milliers voire plusieurs millions !

 

Avantages de la microfluidique

  • Ecoulements contrôlés
  • Volume d’échantillon restreint (de l’ordre du microlitre)
  • Systèmes peu onéreux, jetables
  • Gain en sécurité
  • Automatisation aisée
  • Criblage possible

 

Le saviez-vous ? La microfluidique est partout dans la nature et la vie courante.

Araignée : pour tisser sa toile, l’araignée génère et contrôle des écoulements micrométriques de protéines, les solidifie et produit une fibre en flux continu, fine comme un cheveu, dont les propriétés adhésives sont optimisées pour la capture d’insectes.

Arbre : il draine la sève vers des millions de petits capillaires, dont les diamètres varient entre des centaines de microns et une trentaine de nanomètres.

Tête d’imprimante à jet d’encre : les gouttes formées par ce système miniaturisé font quelques dizaines de micromètres à partir d’un jet laminaire et sont parfaitement contrôlées (position, taille, etc.) pour se déposer sur la feuille de papier.

Test de grossesse urinaire : permet, en moins d’une minute, l’analyse d’une microgoutte d’urine pour déterminer avec précision (fiabilité de 99 %) une grossesse éventuelle.

 
En savoir plus
Publications > Fil d'Info Science : IFPEN explore l'apport de la microfluidique en conditions haute pression haute température (HP HT) (Mai 2015)


 

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