Cette thèse a étudié de façon systématique les processus de la rupture et de la coalescence impliquant une interface liquide-liquide (gouttelettes) ou gaz-liquide (bulles) en présence ou pas d’un champ magnétique dans des dispositifs microfluidiques, à l’aide d’une caméra rapide. Les mécanismes de la rupture d’une interface ferrofluide sous différents champs magnétiques ont été étudiés et comparés. On a constaté que la structure morphologique et la vitesse d’amincissement du cou peuvent être contrôlées activement par la force magnétique. Ainsi, le volume et la fréquence de formation de gouttelettes de ferrofluide peuvent être pilotés aisément. La rupture de l'interface liquide-liquide a généralement conduit à la formation de gouttelettes satellites avec sa taille proportionnelle au nombre capillaire de la phase continue. La coalescence des gouttelettes ont aussi été étudiée avec l’analyse de l'évolution du cou reliant deux gouttelettes. Il a été constaté que la formation du pont ou du cou liquide pouvait se produire dans la gamme de l'ordre de dizaines de micromètres entre les bords d'attaque sous champ magnétique. L'inertie d’origine d'attraction magnétique sur des gouttelettes de ferrofluide devenait la force motrice pour la coalescence lors de la première étape au détriment de la force capillaire / This thesis systematically investigates the breakup and coalescence processes of the involved droplet (bubble) interface under magnetic field or not in two-phase microfluidic flow, by using a high speed digital camera. The whole breakup processes of ferrofluid interface under different magnetic fields were investigated and compared. It was found that the morphological structure and necking velocity of the interface can be actively controlled by the magnetic force. Thus the volumes and the formation frequencies of ferrofluid droplets can be actively adjusted. The breakup of Liquid-Liquid interface usually leads to the formation of satellite droplet with its size proportional to the capillary number of the continuous phase. The coalescences of droplets were investigated. The evolution of the neck connecting two droplets was analyzed. It was found that the formation of liquid bridge or neck could occurs with a visible gap in the order of tens of micrometers between the leading edges under magnetic field and the inertia of the ferrofluid originating from the magnetic attraction fields becomes the driving force at the initial stage of coalescence instead of capillary force

Cette thèse, intitulée « Emulsification en systèmes microstructurés », s’inscrit au sein de la tâche « Emulsification contrôlée » du projet européen IMPULSE. Deux micromélangeurs en acier inoxydable, un V-type et un Caterpillar, ont été testés en utilisant un pilote d’émulsification continue. Ces dispositifs conçus en acier inoxydable et fonctionnant comme des boîtes noires, des micromélangeurs transparents ont ensuite été utilisés afin de comprendre leurs mécanismes d’émulsification. Les paramètres-clés intervenant dans la formation de gouttes à un orifice à l’échelle macroscopique ont dans un premier temps été identifiés. A l’échelle microscopique, la formation des gouttelettes dans le micromélangeur V-type est issue de la mise en contact des jets des phases aqueuse et organique formés à la sortie de ce dispositif et d’un phénomène élongationnel avec des instabilités interfaciales. Dans le cas du Caterpillar, la taille des gouttelettes dépend de la géométrie interne des éléments en série de ce micromélangeur. La formation des gouttelettes est issue d’un phénomène de cisaillement au niveau de la jonction en Y. La réduction de la taille de ces gouttelettes est ensuite due à leur passage dans les éléments de mélange. L’utilisation de micromélangeurs transparents a, quant à elle, permis de caractériser davantage ces deux micromélangeurs par micro-PIV et caméra rapide. Enfin, une dépendance du diamètre des gouttelettes par rapport à l’énergie dissipée est constatée pour le Caterpillar mais par pour le V-type. L’énergie dissipée dans ces deux micromélangeurs semble être moindre et les émulsions formées de meilleure qualité par rapport aux procédés classiques d’émulsification / This thesis, entitled “Emulsification in micromixers” was carried out within the framework of the Task “Controlled Emulsification” of the European IMPULSE project. Two micromixers in stainless steel, the V-type and the Caterpillar, were tested in an experimental setup. These microdevices working as black boxes, transparent micromixers were used after to gain insight into the fundamental mechanisms for emulsification. Firstly, the key parameters enabling the drop formation at macroscopic scale were identified. At microscopic scale, the droplet formation in the V-type micromixer results from the contact of aqueous and organic phases jets at the outlet of the microdevice and from elongational phenomena with interfacial instabilities. In the case of the Caterpillar, the droplets size depends on the internal geometry of the microdevice. The droplet formation can be mainly attributed to the shearing phenomena at the Y-junction. The decrease of the droplets’ size is then due to their passage through the mixing elements in series in the outlet channel. Moreover, the use of transparent micromixers allows to characterize these two micromixers by the micro-PIV and high speed camera. A straightforward relationship between the energy dissipation and the size of droplets was established for the Caterpillar, but not for the V-type. Moreover, the energy dissipation within these two micromixers is lower and the emulsions obtained having a more satisfactory quality than in the case of the classical emulsification processes

Dans les moteurs à combustion interne, l'injection de carburant est une phase essentielle pour la préparation du mélange et la combustion. En effet, la structure du jet liquide joue un rôle essentiel pour la qualité du mélange du combustible avec le gaz. Le présent travail porte sur les phénomènes d'atomisation de jet liquides dans les conditions opératoires des moteurs diesel. Dans ces conditions, la morphologie du jet liquide comprend une phase liquide séparée (c'est à dire un noyau liquide) et une phase liquide dispersée (c'est à dire un spray). Ce manuscrit décrit les étapes de développement d'un nouveau modèle d'atomisation, pour un jet liquide à grande vitesse, basée sur une approche eulérienne diphasique. Le phénomène d'atomisation est modélisée par des équations définissant une densité de surface pour le noyau liquide en plus de celle des gouttelettes du spray. Ce nouveau modèle a été couplé avec un système d'équations diphasique et turbulent de type Baer-Nunziato. Le processus de rupture des ligaments et son éclatement subséquent en gouttelettes sont modélisés en utilisant des connaissances rassemblées à partir des expériences disponibles et des simulations numériques précises. Dans la région dense du jet de liquide, l'atomisation primaire est modélisée comme un processus de dispersion en raison de l'étirement turbulent de l'interface, à partir du côté du liquide en plus du côté du gaz. Différents cas tests académiques ont été effectués afin de vérifier la mise en œuvre numérique du modèle dans le code IFP-C3D. Enfin, le modèle est validé avec les résultats DNS récemment publiés dans des conditions typiques de moteurs Diesel à injection directe. / In internal combustion engines, the liquid fuel injection is an essential step for the air/fuel mixture preparation and the combustion process. Indeed, the structure of the liquid jet coming out from the injector plays a key role in the proper mixing of the fuel with the gas in the combustion chamber. The present work focuses on the liquid jet atomization phenomena under Diesel engine conditions. Under these conditions, liquid jet morphology includes a separate liquid phase (i.e. a liquid core) and a dispersed liquid phase (i.e. a spray). This manuscript describes the development stages of a new atomization model, for a high speed liquid jet, based on an eulerian two-phase approach. The atomization phenomenon is modeled by defining different surface density equations, for the liquid core and the spray droplets. This new model has been coupled with a turbulent two-phase system of equations of Baer-Nunziato type. The process of ligament breakup and its subsequent breakup into droplets are handled with respect to available experiments and high fidelity numerical simulations. In the dense region of the liquid jet, the atomization is modeled as a dispersion process due to the turbulent stretching of the interface, from the side of liquid in addition to the gas side. Different academic test cases have been performed in order to verify the numerical implementation of the model in the IFP-C3D software. Finally, the model is validated with the recently published DNS results under typical conditions of direct injection Diesel engines.

Les cavéolines et les protéines cavines forment le manteau d'invaginations membranaires appelées cavéoles. Dans le tissu adipeux (TA), ces structures sont très abondantes dans les adipocytes et les cellules endothéliales. Une perte d'expression de cavéoline-1 a pour conséquence une lipoatrophie sévère chez les souris invalidées pour ce gène (Cav1(-/-)), ce qui a conduit à suggérer un rôle important de Cav1 pour le contrôle de la capacité de stockage du TA. Par ailleurs, les souris Cav1(-/-) présentent des défauts vasculaires, phénotype totalement corrigé par une réexpression spécifique de Cav1 au niveau de l'endothélium (souris Cav1 RC). Afin de déterminer les rôles respectifs de la cavéoline-1 adipocytaire et endothéliale dans l'établissement de la lipoatrophie observée chez les souris Cav1(-/-), nous avons comparé les phénotypes adipeux de souris contrôles, Cav1(-/-) et Cav1 RC et établi ainsi le rôle majeur de la cavéoline-1 adipocytaire dans l'apparition de ce phénotype. Pour caractériser les mécanismes impliqués, nous avons surexprimé Cav1 et les cavines dans la lignée adipocytaire 3T3-L1. Nous montrons que ces surexpressions augmentent le nombre de cavéoles à la membrane plasmique des adipocytes. En revanche, seule la surexpression de Cav1 induit la croissance des gouttelettes lipidiques (GL), suggérant que cet effet de Cav1 s'exerce en dehors des cavéoles. En accord, la surexpression de Cav1 exclusivement à la surface des GLs augmente la taille de ces organites dans les adipocytes. Ces résultats démontrent un rôle spécifique de la cavéoline-1 à la surface de la GL, indépendant des cavéoles, dans le contrôle de la capacité de stockage lipidique adipocytaire

Ce travail de thèse a eu pour but d'étudier la thermodynamique de petits objets (nanoparticules ou édifices biomoléculaires) dans des milieux fortement hors-équilibre. Deux milieux miroirs ont été explorés, à savoir des gouttelettes micrométriques chargées et des microbulles générées sous irradiation laser intense. Ces deux systèmes sont par nature difficiles à sonder par des méthodes traditionnelles, c'est pourquoi, une thermographie innovante multi-échelle par méthodes optiques a été développée. Ainsi, une thermographie locale (au sein des nano-objets) et globale (dans le milieu environnant) a été réalisée. Cette thermographie utilise la fluorescence induite par laser - méthode simple, non invasive et efficace pour fournir une mesure de température avec une bonne résolution spatiale, temporelle et thermique - grâce à des colorants thermochromiques directement en solution dans le milieu ou bien incorporés dans les nano-objets. Cette thermographie est également complétée avec d'autres mesures physiques, notamment la taille des gouttelettes et des bulles micrométriques pour aller vers une étude thermodynamique exhaustive de ces systèmes. Ces études thermodynamiques ont été menées autour des deux thématiques : Edifices biomoléculaires dans des gouttelettes micrométriques chargées en cours de déshydratation. Les sources électrospray, devenues un outil incontournable en spectrométrie de masse, présentent une thermodynamique riche et encore mal comprise. Des mesures de taille et de température de gouttelettes micrométriques chargées en cours d'évaporation ont pu être confrontées dans le but d'avoir une description thermodynamique complète d'une source électrospray. De plus, afin de pouvoir suivre la conformation des édifices biomoléculaires (protéines) en cours de déshydratation, le concept d'anisotropie de fluorescence comme sonde conformationnelle a été validé en solution et pourra être transposé pour une analyse in situ dans la plume de l'électrospray.Nanoparticules dans des microbulles générées sous irradiation laser intense. Il s'agit ici d'étudier l'influence de nanoparticules lors de la génération de microbulles par nano-cavitation induite par irradiation laser intense, thématique au coeur du projet « ERTIGO ». Le principal objectif scientifique de ce projet a été d'obtenir une compréhension des mécanismes d'absorption d'une solution contenant des nanoparticules irradiées. A cet effet, une source lumineuse atypique (laser aléatoire) a été employée / The aim of this thesis was to study the thermodynamics of small objects (nanoparticles or biomolecule) in out-of-equilibrium media. Two mirror media were explored, namely charged micrometric droplets and microbubbles generated under intense laser irradiation. By nature, these two systems are difficult to probe by traditional methods, which is why an innovative multi-scale thermography by optical methods has been developed. Thus, a local (within the nano-objects) and a global (in the surrounding medium) thermography were carried out. Such thermography uses Laser-Induced Fluorescence - a simple, non-invasive and efficient method for providing temperature measurements with good spatial, temporal and thermal resolution - using thermochromic dyes directly in solution or incorporated into nano- objects. This thermography is also supplemented with other physical measurements, in particular the size of microdroplets and microbubbles, towards a complete thermodynamic study of these systems. These thermodynamic studies were carried out around the two following themes: Biomolecular structures in charged microdroplets during dehydration. Electrospray sources, which have become an essential tool in mass spectrometry, present a rich and still poorly understood thermodynamics. Measurements of the size and temperature of charged micrometric droplets during evaporation have been possible in order to obtain a complete thermodynamic description of an electrospray source. Moreover, in order to be able to follow the conformation of biomolecules (proteins) during dehydration, the concept of fluorescence anisotropy as a conformational probe has been validated in solution and can be transposed for an in situ analysis into the electrospray plume. Nanoparticles in microbubbles generated by intense laser irradiation. Here, we want to study the influence of nanoparticles during the generation of microbubbles by nano-cavitation induced by intense laser irradiation. This thematic is at the heart of the project "ERTIGO". The main scientific objective of this project was to obtain an understanding of the absorption mechanisms of a solution containing irradiated nanoparticles. For this purpose, an atypical light source (random laser) has been used in order to be able to illustrate this complex out-of-equilibrium system as a function of time by optical microscopy. In parallel, a local measurement of the temperature of the nanoparticles is envisaged

La cellule eucaryote compartimentalise ses tâches au sein d’organelles communiquant les unes avec les autres au moyen de vésicules de transport. Le trafic vésiculaire est contrôlé par des petites protéines G de la superfamille Ras, activées par un changement de nucléotide guanidique catalysé par un facteur d’échange (GEF). En particulier, au niveau du cis-Golgi la petite protéine G Arf1 est activée par GBF1, permettant le transport rétrograde des vésicules COPI vers le réticulum endoplasmique. Récemment, GBF1 a été impliqué dans d’autres fonctions, notamment dans le cycle réplicatif de certains virus ou dans le métabolisme des gouttelettes lipidiques.Les gouttelettes lipidiques sont les organelles ubiquitaires du stockage des lipides et ont un rôle majeur dans l’homéostasie des lipides à l’échelle de la cellule. Le trafic intracellulaire des ces organelles dynamiques serait contrôlé par des petites protéines G. Notre équipe à montré dans une précédente étude que GBF1 est localisé sur les gouttelettes lipidiques et est impliqué dans le recrutement de PLIN2 et de la lipase ATGL sur les gouttelettes lipidiques. Cette thèse montre, par des études de biologie cellulaire et de microscopie, que GBF1 possède un domaine de fixation aux phospholipides via une hélice amphipatique. Cette hélice est nécessaire et suffisante pour l’association aux gouttelettes lipidiques in cellulo. La régulation de la localisation de GBF1 repose sur l’interaction avec Rab1B (cascade entre Rab1 et Arf1 dans la voie sécrétoire précoce) ainsi que sur les interactions intramoléculaires entre les différents domaines de GBF1. / The eukaryotic cell physically separates its functions within several membrane-bound organelles, which communicate using vesicles. Vesicular trafficking is under the control of small GTPases that exist as an inactive GDP-bound form and an active GTP-bound form. The switch between GDP and GTP is catalyzed by a guanine nucleotide exchange factor (GEF). On cis-Golgi membranes, Arf1, activated by the large GEF GBF1, recruits the COPI coat. COPI coated vesicles ensure the retrograde transport from the Golgi to the ER. Recently, GBF1 has been implicated in other pathways, such as the life cycle of various viruses and lipid droplet metabolism.Lipid droplets (LD), the major lipid storage organelle, play a major role in lipid homeostasis within the cell. LDs are connected to membrane trafficking and are therefore under the control of GTPases. In previous studies, our team showed that GBF1 localizes around LDs and that it is required for protein loading onto the LD surface. Here, data support the idea that GBF1 localizes to the LD surface. Using cell biology tools and microscopy, we identified, within GBF1, a lipid binding domain. In this domain, a single amphipathic helix is necessary and sufficient for LD targeting in cells. The regulation of GBF1 localization relies on interaction with Rab1 (data support a Rab1-Arf1 cascade between the ER and the Golgi) and on intramolecular interactions between GBF1 domains.

Ce travail porte sur l'étude expérimentale et théorique du comportement des gouttelettes d'eau (instabilité, déformation, coalescence), déposées à la surface d'un isolateur composite haute tension, en présence d'un champ électrique. La déformation des gouttelettes d'eau est étudiée en fonction de plusieurs paramètres tels que le volume, le nombre et la conductivité des gouttelettes ainsi que leurs positions par rapport aux électrodes. Un intérêt particulier est porté à la charge accumulée sur la surface d'une gouttelette. L'influence des gouttelettes sur la répartition du champ électrique ainsi que le facteur d'amplification du champ électrique par une méthode numérique sont étudiés. Une formulation mathématique de la déformation d'une gouttelette d'eau posée sur une surface d'isolateur est développée. Les mécanismes ainsi que les paramètres impliqués dans la coalescence d'une paire de gouttelettes d'eau sous l'effet du champ électrique sont également traités. Un modèle mathématique permettant d'analyser la coalescence d'une paire de gouttelettes d'eau posées sur la surface d'un isolateur en présence du champ électrique est proposé. Ce modèle est basé sur une approche à interface diffuse qui consiste essentiellement en un couplage entre les équations de Navier-Stokes, le calcul de la force électrique et une équation de type Cahn-Hilliard décrivant l'évolution de l'interface en prenant en compte les phénomènes de tensions superficielles. La démarche suivie et les résultats présentés dans ce travail ouvrent de multiples perspectives tant d'un point de vue expérimental que d'un point de vue de la modélisation et de la simulation numérique des phénomènes physiques intervenant sur des isolateurs de lignes de transport et de distribution de l'énergie électrique dans des conditions d'humidité (pluie, rosée ...).

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L’objectif de ce travail fut de développer et d’étudier les performances d’un microprocédé basse pression à écoulement élongationnel pour la production de nanoémulsions polymérisables de tailles contrôlées et de distributions de taille étroites. Le diamètre des nanogouttelettes a pu être précisément ajusté dans la gamme 50-300 nm en modifiant simplement les paramètres de procédé : le débit réciproque au travers du micromélangeur, le nombre de cycles et la dimension caractéristique du microcanal. Les nanoémulsions produites furent, dans une seconde étape, polymérisées par voie thermique ou par irradiation UV afin de générer des suspensions colloïdales de nanoparticules de polymère de tailles également contrôlées (87-360 nm). Un monomère, un agent de réticulation ainsi qu’un amorceur thermique ou photochimique appropriés furent par la suite ajoutés au milieu continu de ces nanosuspensions. Les solutions résultantes servirent comme phases dispersées dans des générateurs microfluidiques de gouttelettes à capillaires. Les microgouttelettes de taille contrôlée ainsi produites furent polymérisées en ligne par irradiation UV pour donner lieu à des microsphères ou à des microparticules coeur-écorce composites de polymère toutes deux dopées avec des nanoparticules de polymère. Des microparticles composites et hydrides comportant des nanoparticules d’or dans le coeur et d’argent dans l’écorce furent également obtenues grâce à la réduction photochimique in situ des sels précurseurs lors de la photopolymérisation des microgouttelettes. Ce travail a démontré l’efficacité d’un nouveau dispositif microfluidique basse énergie pour la production de nanoémulsions et leur emploi pour la synthèse de matériaux polymères morphologiquement complexes. / The aim of this work was to develop and to study the performances of a low pressure elongational-flow microprocess for the production of size-controlled polymerizable nanoemulsions with narrow size distributions. Nanodroplets diameter was easily tuned in the size range 50-300 nm by varying the process parameters, namely the reciprocating flow rate through the micromixer, the number of cycles and the characteristic dimension of the microchannel. Obtained nanoemulsions were in a second step thermally or UV-assisted polymerized to give colloidal suspensions of size-tunable polymer nanoparticles (87-360 nm). Then, a proper monomer, crosslinker and thermal- or photo-initiator were added to the continuous phase of these nanosupensions. The resulting mixtures were used as the dispersed phases of two different capillaries-based microfluidic droplet generators. The produced sizecontrolled microdroplets were finally UV polymerized online and plain as well as core-shell composite polymeric microparticles doped with lower scale polymer nanoparticles were obtained. Composite/hybrid polymeric core-shell microparticles were also synthesized for which gold nanoparticles in the core and silver nanoparticles in the shell were synthesized in situ from their salt precursors during microdroplets polymerization. This work has demonstrated the high efficiency of a novel low energy microfluidic emulsification device for the production of nanoemulsions which were used for the synthesis of morphologically complex polymeric materials.

Ce travail porte sur l’étude expérimentale et théorique du comportement des gouttelettes d’eau (instabilité, déformation, coalescence), déposées à la surface d’un isolateur composite haute tension, en présence d’un champ électrique. La déformation des gouttelettes d’eau est étudiée en fonction de plusieurs paramètres tels que le volume, le nombre et la conductivité des gouttelettes ainsi que leurs positions par rapport aux électrodes. Un intérêt particulier est porté à la charge accumulée sur la surface d’une gouttelette. L’influence des gouttelettes sur la répartition du champ électrique ainsi que le facteur d’amplification du champ électrique par une méthode numérique sont étudiés. Une formulation mathématique de la déformation d’une gouttelette d’eau posée sur une surface d’isolateur est développée. Les mécanismes ainsi que les paramètres impliqués dans la coalescence d’une paire de gouttelettes d’eau sous l’effet du champ électrique sont également traités. Un modèle mathématique permettant d’analyser la coalescence d’une paire de gouttelettes d’eau posées sur la surface d’un isolateur en présence du champ électrique est proposé. Ce modèle est basé sur une approche à interface diffuse qui consiste essentiellement en un couplage entre les équations de Navier-Stokes, le calcul de la force électrique et une équation de type Cahn-Hilliard décrivant l’évolution de l’interface en prenant en compte les phénomènes de tensions superficielles. La démarche suivie et les résultats présentés dans ce travail ouvrent de multiples perspectives tant d’un point de vue expérimental que d’un point de vue de la modélisation et de la simulation numérique des phénomènes physiques intervenant sur des isolateurs de lignes de transport et de distribution de l’énergie électrique dans des conditions d’humidité (pluie, rosée ...). / This work is devoted to experimental and theoretical study of the behavior of water droplets (instability, deformation, coalescence), located on the surface of a high voltage composite insulator, in presence of electric field. The deformation of droplets is investigated according to several parameters such as volume, number and conductivity of the droplets as well as their positions with respect to the electrodes. A particular interest is focused on the electric charge accumulated on the droplet surface. The droplet influences on the electric field distribution as well as the amplification factor of the electric field are studied by a numerical method. A mathematical formulation of the deformation of water droplet located on a surface of insulator is developed. The mechanisms as well as parameters involved in coalescence of a pair of water droplets under the electric field stress are also investigated. A mathematical model is developed for analyzing the coalescence of a pair of water droplets sitting on the surface of an insulator in presence of the electric field. It is based on a diffuse interface model that essentially consists of a coupling between Navier-Stokes equations, the computing of electric force and a Cahn-Hilliard type equation describing the interface evolution including capillary phenomena. The approach followed and the results presented in this work open several perspectives as well from an experimental point of view as from a point of view of modeling and numerical simulation of physical phenomena affecting insulators of high voltage transport and distribution lines in humidity conditions (rain, dew...).