De nombreux procédés de la recherche et de l'industrie utilisent l'extraction liquide-liquide, technique qui permet la séparation sélective de produits au sein d'un mélange. À cet effet, deux liquides non miscibles sont mis en contact : une phase aqueuse et une phase organique, l'une contenant généralement une molécule extractante capable de transférer les éléments désirés à l'autre. Le transfert se produit à la surface de contact entre les deux phases. Après le transfert, les deux phases sont séparées par décantation. Dans la pratique, ces opérations sont effectuées dans des appareils industriels. Pour optimiser et comprendre le fonctionnement de ces dispositifs, il est important de déterminer les caractéristiques fondamentales de l'émulsion. Il s'agit notamment des paramètres liés à la vitesse des écoulements ainsi que ceux liés au mélange des fluides comme l'aire interfaciale, le taux de rétention, ou la distribution en taille de la population de gouttes. Plusieurs techniques d'imagerie peuvent être utilisées pour les mesurer. L'une d'elles, l'holographie numérique, est bien connue pour permettre la reconstruction complète en 3D d'un écoulement à partir d'une seule acquisition. Ce travail de thèse traite d'une application de l'holographie numérique en ligne directement sur des gouttes en mouvement dans une phase liquide continue. La taille des gouttes a imposé l'exploration d'un régime de diffraction peu étudié à ce jour. Dans ce domaine, le modèle du disque opaque classiquement employé n'est pas valide et un meilleur accord est obtenu avec un modèle mixte lui associant une lentille mince. La focalisation des hologrammes est réalisée via une méthode dédiée et automatique qui a été établie à partir d'une étude complète de la littérature. Dans un deuxième temps, afin de mesurer des rétentions plus élevées, elle est complétée par une approche inverse permettant de corriger les mauvais positionnements et de restituer les gouttes non détectées. Ce traitement a été appliqué à des résultats expérimentaux, sur un dispositif de référence produisant des gouttes calibrées, et comparé à des mesures indépendantes. Ces essais ont validé la pertinence de l'holographie pour la caractérisation des émulsions.

Dans cette thèse expérimentale, on s'intéresse aux collisions de gouttes mettant en jeu des interfaces asymétriques, soit deux gouttes constituées de liquide différent ou des gouttes de taille différente et recouvertes (ou non) d'une couche de particules hydrophobes. Dans une première partie, on étudie les collisions de gouttes de liquide immiscible. L'asymétrie de tels systèmes repose alors sur le contraste des propriétés des deux liquides : la tension de surface, la viscosité et la densité. Le résultat de ces collisions est une encapsulation totale d'un liquide par un autre ou une encapsulation suivie d'une fragmentation. On s'attache à décrire les régimes observés et à établir des lois permettant de prédire les limites de fragmentation de l'objet obtenu. La seconde partie est consacrée aux interfaces couvertes de particules hydrophobes. Pour ces systèmes, l'asymétrie réside à la fois dans la présence des particules sur une interface et pas sur l'autre et dans le contraste de taille entre les objets étudiés. Ainsi, on considère l'impact entre une petite goutte (recouverte ou non de particules) et une très grosse goutte (recouverte ou non de particules). On caractérise tout d'abord les propriétés mécaniques de ces interfaces via la propagation d'ondes de surface, notamment en terme de tension de surface effective et de module de courbure. Puis, on sonde, dans différentes situations d'impact, la robustesse de ces objets afin d'évaluer la capacité de ces couches particulaires à prévenir la coalescence

Afin de modéliser correctement les phénomènes liés à l'évaporation, les numériciens souhaitent obtenir des mesures expérimentales fiables, leur permettant d'améliorer leurs modèles. A l'opposé, de nombreux industriels souhaitent pouvoir réaliser des mesures in situ, avec des techniques expérimentales appliquées aux conditions réelles.C'est dans ce cadre que s'est inscrite cette thèse. L'objectif principal, a été de démontrer la faisabilité, et la stabilité, de mesures en réfractométrie d'arc-en-ciel sur des gouttes uniques en écoulement afin d'obtenir le taux d'évaporation de ces gouttes.L'utilisation d'un dispositif dédié habituellement à la PIV a servi à réaliser des acquisitions de couples d'images, séparées par un délai temporel variable. Une méthode très fine de la mesure de variation de diamètre a été introduite, autorisant la mesure du taux d'évaporation instantané d'une goutte en écoulement par le biais du déphasage de la structure de ripple.

Thèse (D.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2003. / Bibliogr.: f. [211]-216. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Ce manuscrit présente des études expérimentales sur l'évaporation de gouttes et la chimiotaxie de la mite.Une première partie s'intéresse à l'évaporation de spray dense au moyen d'une nouvelle approche, par analogie avec le mélange scalaire. Dans cette limite de forte densité en gouttes, où il y a saturation en vapeur au sein des structures constituantes, l'évaporation est principalement fonction de l'étirement auxquelles ces structures sont soumises. C'est en effet celui-ci qui conditionne le taux d'évacuation de cette vapeur interstitielle, ce qui permet de mettre les gouttes en contact avec un environnement plus sec, déclenchant ainsi leurs évaporations.Une deuxième partie s'intéresse à une application de la compréhension de cette dynamique d'évaporation de spray dense à un contexte d'entomologie: la chimiotaxie de la mite. Il s'agit du processus par lequel l'animal va se repérer dans un champ de concentration, pour localiser la source d'une substance attractive par exemple (ici de la phéromone sexuelle). Cette partie a tendu vers l'obtention d'une visualisation conjointe de la trajectoire de l'animal et du champ de concentration sous-jacent par la visualisation des gouttes. / This thesis present some experiments on droplets evaporation and moth chemotaxis.In a first part, dense spray evaporation is explained through a new approach, drawing an analogy with scalar mixing. In this high density droplets limit, where vapor saturation is reached within the structures, evaporation is mainly controlled by the intensity at which these structures are stretch. It is indeed the stretching that controls the rate at witch interstitial vapor is evacuated: droplets are thus in contact with a dryer environment, so they can start to evaporate.A second part take an interest in applying dense spray evaporation dynamic understanding to an entomologist situation: moth chemotaxis. This is the process by which animals find their way in a concentration field, such at finding a chemoattractant source for instance (sexual pheromone in our case). This part tended towards visualizing animal trajectory and concentration field underlying through droplets visualization simultaneously.

Ce travail explore expérimentalement en géométrie microfluidique, des instabilités sous champ de fluides magnétiques aqueux, aux propriétés bien caractérisées et dont les nanoparticules sont stabilisées électrostatiquement.La micro-convexion magnétique observée à l'interface miscible entre le fluide magnétique et l'eau est étudiée quantitativement dans une cellule de Hele-Shaw sous champ magnétique homogène, en particulier par vélocimétrie par image de particules. Les résultats sont comparés aux prédictions théoriques et à des simulations numériques. Au delà de la caractérisation des champs critiques, il est observé qu'une augmentation du champ H accélère la croissance des doigts, comme H2, tandis que la figure de digitation n'est pas modifiée. Une application au mélange en microfluidique est ici envisagée. L'étude de la micro-convexion a révélé une diffusion effective de coefficient beaucoup plus grand que celui des nanoparticules, tel que prédit par la formule de Stockes-Einstein ou obtenu par des mesures directes. Des explorations expérimentales montrent que cette diffusion effective provient d'un écoulement lié à la différence de densité des deux fluides. La diffusion semble influencée par les agents qui stabilisent les nanoparticules. Des gouttes de liquide magnétique concentré co-existant avec une phase diluée sont obtenues par séparation de phase induite par ajout de sel et/ou application d'un champ magnétique. Leur déformation sous champ permet de suivre l'évolution temporelle de la phase concentrée métastable. Dans un champ magnétique précessant à l'angle magique, les gouttes se comportent comme en champ tournant, sauf en ce qui concerne leur déformation initiale. / Magnetic field induced instabilities of magnetic fluids in microfluidic environment are investigated experimentally. Electrically stabilized water-based magnetic nanocolloids are used and throughout characterized.Magnetic micro-convection, observed at a miscible magnetic fluid-water interface in a Hele-Shaw cell in homogeneous field, is studied quantitatively and compared with theoretical predictions and numerical simulations, micro-convective flows being characterized by particle image velocimetry. Besides the critical field determination, it is shown that an increase of the magnetic field H speeds up the finger growth, which scales as H2, while the size of the fingering pattern is not changed. An application towards mixing enhancement in microfluidics is considered.The micro-convection study reveals a much larger effective diffusion coefficient of the nanoparticles than expected from Stokes - Einstein relation and standard determinations. Investigations with the same setup and with continuous microfluidics show that the effective diffusion mostly arises from a flow induced by the density difference between the miscible fluids. Additionally, the diffusion coefficient seems to be influenced by the particle stabilizing agents.Drops of a concentrated magnetic phase in co-existence with a dilute one are formed by phase separation after salt addition to the magnetic fluid and/or the application of a magnetic field. Their under-field shape deformations allow investigating the time evolution of the concentrated phase. Experiments show that in a precessing field at magic angle, the drops behave as in a rotating field except the initial shape deformation before quick elongation.

La phagocytose par les macrophages est un processus biologique essentiel au système immunitaire et joue un rôle clé dans le maintien de l’homéostasie cellulaire. Les cibles à éliminer varient en terme de tailles, des bactéries (µm) aux cellules cancéreuses ou senescentes (10 – 20 µm). La plupart des études quantitatives sur la phagocytose reposent sur l'utilisation de microparticules de polymère rigides en tant que cibles modèles pour la compréhension des paramètres qui régissent ce processus. Cependant, ces particules ne rendent pas compte de la mobilité latérale des ligands à leur surface malgré la pertinence de ce paramètre dans le contexte immunologique. Cette étude a pour but de synthétiser un matériau biomimétique qui constitue un nouveau système modèle pour l’étude de la phagocytose. Il s’agit de gouttes d’émulsions monodisperses fonctionnalisées avec des IgGs libres de diffuser sur toute la surface. Dans le cadre de cette thèse, nous avons obtenu différentes densités contrôlées de fonctionnalisation, caractérisées de façon quantitative. Ainsi, il nous a été possible de déterminer une densité minimale d’IgGs nécessaire à induire une internalisation efficace des gouttes. Pour des densités supérieures d’IgGs, ces gouttes sont efficacement et spécifiquement internalisées par phagocytose induite par les récepteurs FcR in vitro. Nous avons plus précisément cherché à approfondir la compréhension de certains aspects mécaniques. Nous montrons que, contrairement à des billes de polymères solides, l’internalisation des gouttes est efficace même pour de faibles densités d’IgGs. La phagocytose s’accompagne, pendant la phase d’adhésion à la surface du macrophage, d’une mobilité latérale des ligands en zone de contact. Il apparaît donc que la mobilité latérale des protéines à l'interface d'une cible améliore considérablement sa phagocytose par les macrophages. Ainsi, ces gouttes permettrons d’aborder de nouvelles questions biologiques pour approfondir certaines mécanismes moléculaires et/ou mécaniques. / Phagocytosis by macrophages represents a fundamental process essential for both immunity and tissue homeostasis. The size of targets to be eliminated ranges from small particles as bacteria to large objects as cancerous or senescent cells. Most of our current quantitative knowledge on phagocytosis is based on the use of solid polymer microparticles as model targets that are well adapted to the study of phagocytosis mechanisms that do not involve any lateral mobility of the ligands, despite the relevance of this parameter in the immunological context. The aim of this study is to synthesize a biomimetic material that constitutes a new model system for the study of phagocytosis. We designed monodisperse, lateraly mobile IgG-coated emulsion droplets, with different controlled densities of IgGs, that are efficiently and specifically internalized by macrophages through in-vitro FcγR-mediated phagocytosis. The excellent control of the opsonization density allowed us to measure the minimal IgGs density required to induce an efficient internalization. We also attempted to deepen the understanding of certain mechanical aspects. We show that, contrary to solid polymeric beads, droplet uptake is high even for low IgG densities and is accompagnied by the clustering of the opsonins in the zone of contact with the macrophage during the adhesion step. Beyond the sole interest in the design of the material, our results suggest that lateral mobility of proteins at the interface of a target greatly enhances the phagocytic uptake. Thus, emulsion droplets constitute a new interesting target to investigate different biological issues and understand molecular and/or mechanical mechansims.

La présente étude porte sur l'utilisation des forces de tension de surface créées par une mouillabilité hétérogène afin de faciliter l'évacuation des gouttes. La mouillabilité hétérogène de la surface solide permet le déséquilibre mécanique au niveau de la ligne triple des embryons de gouttes se formant à la paroi, entraînant ainsi leur déplacement. Théoriquement, l'hystérésis d'angle de contact a été négligée dans la plupart des études mettant en œuvre des gradients de mouillabilité, mais identifié comme ayant un rôle important sur le mouvement. Nous avons développé par conséquent un modèle dynamique qui prend en compte explicitement l'hystérésis d'angle de contact et une comparaison avec des données expérimentales de la littérature a été effectuée. Le transfert de masse a été par la suite ajouté à ce même modèle pour comprendre l'effet d'un gradient de mouillabilité sur les transferts de chaleur en régime de condensation en gouttes. L'analyse quantitative des résultats théoriques montre que l'hystérésis réduit fortement les vitesses de déplacement de la gouttelette. De plus, il a été montré que les transferts sont nettement plus intenses dans la phase de croissance que pendant la phase dynamique. L'intérêt consiste donc à réduire au maximum la taille de la goutte évacuée afin de permettre à la fois une densité et fréquence élevée de nucléation. Parallèlement à cette approche théorique, un dispositif expérimental a été développé pour étudier la condensation de la vapeur d'eau sur une surface avec gradient de mouillabilité. Les résultats expérimentaux ont mis en évidence la faculté du gradient de mouillabilité à maintenir un régime de condensation en gouttes plutôt qu'un régime en film. L'occurrence de la nucléation et du grossissement de gouttes de petites dimensions, phase durant laquelle les transferts de chaleur sont importants, est largement favorisée par une évacuation rapide des gouttes. / The present work deals with the use of surface tension forces induced by heterogeneous wettability to solve this problem. It is considered that heterogeneous wettability of a solid surface enables the mechanical non-equilibrium of the drop embryos forming at the wall. Theoretically, contact angle hysteresis has been neglected in most of the studies about wettability gradients but recently found to be a major phenomenon deserving attention. Therefore, we developed a dynamic model that explicitly takes into account the contact angle hysteresis. Results of this model were compared with experimental data found in the literature. Subsequently mass transfer was added to this same model in order to understand the effect of a wettability gradient on heat transfer during dropwise condensation process. Quantitative analysis of the results showed that the theoretical hysteresis greatly reduced the droplet velocity. In addition, the model identified the importance of spatial heterogeneities of contact angle hysteresis on the dynamic behavior of the drop. Finally the heat transfers during the growth phase proved to be much more intense than during the dynamic phase. The interest is therefore to minimize the size of the droplet removed to enable both high density and nucleation frequency. The theoretical results analysis showed that such surface energy gradient enhances the transfers. Simultaneously with this theoretical approach, an experimental setup has been developed to study the effects of wettability surfaces when water vapor condensation occurs. Experimental results revealed the ability of wettability gradient to maintain a dropwise condensation regime rather than a filmwise regime. The occurrence of nucleation and growth of small droplets, that involve important heat transfer rate, is widely promoted by the fast droplet removal.

Dans les procédés liés aux émulsions, des écoulements turbulents et polyphasiques entrent en jeu. De tels procédés apparaissent dans des domaines variés. Dans l'industrie agro-alimentaire, la production de lait fait intervenir un homogénéisateur à haute pression, et certains produits tels que la mayonnaise sont des émulsions stables. On trouve aussi des émulsions dans le domaine de la santé : elles assurent le bon fonctionnement de nos poumons, tandis que d'autres peuvent être injectées par voie parentérale en tant que médicaments. On les retrouve aussi dans les procédés de séparation, par exemple eau-brut de pétrole dans l'industrie pétrochimique. Dans tous les cas, la fragmentation et la coalescence des bulles et gouttes doivent être maîtrisées, car elles influencent directement la distribution en taille de la phase dispersée. La fréquence d'apparition de ces phénomènes peut être prédite en utilisant des modèles adaptés. Cependant, la présence de molécules tensioactives modifie grandement cette fréquence et par conséquent la distribution en taille en sortie du procédé. Or, ce type de molécules est présent dans quasiment tous les procédés polyphasiques. L'étude des effets des tensioactifs dans ces procédés s'est alors imposée. Dans un des plus récents modèles, les bulles ou gouttes sont considérées comme des oscillateurs forcés par la turbulence de l'écoulement environnant. Il est alors nécessaire de connaître à la fois la turbulence dans le voisinage de la goutte et les propriétés dynamique de la goutte. La première peut être déterminée expérimentalement. La réponse de la goutte au forçage est alors décrite comme une somme d'harmoniques sphériques dont la dynamique est décrite pour chaque mode par une pulsation et un coefficient d'amortissement. Cette thèse aborde l’étude des effets des tensioactifs sur ces deux grandeurs. Elle s’est déroulée en collaboration entre l'IMFT et le LGC, ce qui a permis d'associer les compétences de chaque laboratoire dans les domaines de la physico-chimie, de l'hydrodynamique des phases dispersées et des écoulements turbulents diphasiques. Le projet lors de cette thèse est d'étudier numériquement les effets des tensioactifs sur les échelles temporelles caractéristiques des oscillations, dans le cas où la goutte est immobile ou bien en mouvement dans un fluide externe. Une équation de transport des tensioactifs ainsi que l'effet Marangoni à l'interface ont été modelisés dans le code DIVA, et validés à l'aide de cas tests. Ensuite, des simulations de gouttes subissant des oscillations de forme suivant le mode 2 des harmoniques sphériques ont permis de décrire les effets des tensioactifs sur la dynamique des interfaces. Ils ont été validés par la théorie pour des oscillations linéaires. Le couplage entre le mouvement d'ascension et les oscillations de formes a aussi été étudié, afin de comprendre l'effet d'un fort effet Marangoni, généré par l'ascension de la goutte, sur les oscillations. Les viscosités de surface peuvent aussi influencer radicalement la dynamique interfaciale. Lors de cette thèse, une méthode a été développée et validée pour permettre à l'outil de simulation de prendre en compte des viscosités de surface en se basant sur le modèle de Boussinesq-Scriven. Leur effet sur la dynamique des oscillations de forme a été étudié. / In many industrial processes, such as high-pressure homogenisation or water-oil separation, turbulent and multiphase flows are involved. To optimize those processes, coalescence and fragmentation need to be controlled since they impact directly the size distribution of drops and bubbles. The occurrence of those phenomena can be predicted using adapted models. However, the presence of surfactant molecules at the interface between two fluid phases can change radically the phenomenology of drops break up and coalescence, and their effect has not been properly included in existing models yet. In one of the latest models, drops are considered as forced oscillators driven by the local turbulence of a flow. It is therefore required to know the local turbulence of the flow and the dynamic properties of the drop. It is possible to measure experimentally the local velocities in a flow to determine the local average turbulent Weber number, which represents the forcing term of the oscillator. The dynamic response of the drop is described as a series of oscillators, the principal mode of which is characterized by two time scales, the pulsation and damping coefficient. The goal of this PhD is to study numerically the impact of surfactants on the two time scales mentioned above, whether the drop is still or in motion in the surrounding fluid. An equation of transport of surfactants and the Marangoni effect at the interface have been implemented in the code, and validated. Simulations of a drop undergoing shape oscillations along its eigenmode n = 2 have allowed to study the effects of surfactants on the time scales of oscillations, which were validated with theoretical predictions for linear oscillations. Surface viscosities can also influence the time scales of oscillations. Therefore, a numerical method has been developped and validated to take surface viscosities into account. The stress jump is based on the expression of the Boussinesq-Scriven model. Their effect is studied on the dynamic of oscillations.

Dans le système immunitaire, l’activation des cellules B nécessite la reconnaissance spécifique par les récepteurs membranaires des cellules B des antigènes portés par cellules présentatrices d’antigènes (macrophages, cellules dendritiques, …). Cette reconnaissance se traduit par une accumulation de protéines adhésives constituant une structure moléculaire appelée synapse immunologique, à partir de laquelle sont extraits les antigènes. Les mécanismes biologiques impliqués dans l’extraction d’antigènes par les cellules B sont encore mal connus. Dans notre étude, nous proposons d’utiliser des gouttes d’huile dont la surface est fonctionnalisée par des anticorps, comme substrat pour l’activation des cellules B. Ces gouttes présentent l’intérêt de posséder une interface liquide et d'être déformables (mesure de forces possible). Afin de mettre en contact les gouttes fonctionnalisées avec les cellules B, nous avons fabriqué un réseau de pièges ayant la forme d’un U répartis dans une chambre microfluidique. La forme de cette chambre a été optimisée de manière à garantir un remplissage efficace des pièges. Le dispositif expérimental mis au point permet de mettre en contact une goutte fonctionnalisée par des anticorps et une cellule B dans plusieurs pièges en parallèle, et d’observer l’évolution du contact dans le temps par microscopie. Nous avons observé que le contact goutte/cellule induisait une accumulation d’anticorps greffés à la goutte au niveau de la zone de contact. La cinétique d’accumulation est mesurée. Des observations en fluorescence des lysosomes des cellules B montrent une polarisation vers la zone de contact, suggérant une réponse de la part de la cellule. / In the immune system, B cell activation is triggered by the specific binding of the B cell receptors with the antigens present on antigen-presenting cells like macrophage, dendritic cells, ... This recognition leads to an accumulation of adhesive proteins at the contact. This molecular structure is called immune synapse, from which the antigens are extracted by the B cell. The precise biological mechanisms implied in the extraction of antigens are still unknown. In our work, we propose to use antibody-coated oil droplets as substrates for the activation of B cells. These droplets have the advantage to have a liquid surface, allowing the antibodies-coated diffusion at their surface. Moreover, these droplets are potentially deformable, so they behave as cellular force probes. Lastly, the droplets have the same size of the B cells, so they mimic the antigen-presenting cells. In order to put in contact the B cells with the droplets, we fabricated a regular network of microfluic traps with U-shape in a microfluic chamber. The shape of the chamber has been optimized to guaranty a good trapping efficiency. Using the traps, we have been able to put into contact one antibody-coated droplet with one B cell in several traps in parallel, and to observe the contact in function of time by fluorescence microscopy. We observed an accumulation of the antibodies coated on the droplet at the surface of contact. The kinetics of accumulation has been measured and the time scale of accumulation has been deduced. Also, observations with fluorescence showed a polarization of the lysosomes near the contact, suggesting a B cell response.