Micro-objets déformables sous forçage hydrodynamique

Cet axe concerne l'étude théorique de certains phénomènes physiques apparaissant aux très petites échelles micro et nano-scopiques. Le groupe travaille sur la modélisation d’écoulements au sein de nanotubes. On s'intéresse en particulier aux transitions dynamiques de phases dans les fluides et mélanges de fluides. Un aspect essentiel concerne l'étude des conditions limites (problèmes de capillarité-statistiques moléculaires, mouillage dynamique des fluides sur les solides, interactions fluides-parois solides). Les résultats peuvent être appliqués à des parois biologiques. 

Un autre aspect de cette recherche concerne la simulation numérique des écoulements multiphasiques, a phases séparées par des interfaces de contact mobiles et déformables, a constitue un domaine d’activité très dynamique ces dernières années. Les exemples vont des écoulements de systèmes à plusieurs fluides immiscibles, au changement de phase liquide-solide et liquide-gaz. La dynamique interfaciale concernée est typiquement le transport convectif sous l’action des diverses manifestations de la tension superficielle, incluant éventuellement des transferts de chaleur et de masse.
Aujourd’hui, de nombreux secteurs d’activités, lies principalement a la biologie, la sante, les biotechnologies, mais également le génie des procèdes, font émerger des problématiques similaires, mais avec des interfaces au comportement mécanique beaucoup plus riche. Les vésicules et les capsules en sont les sujets d’intérêt, avec des motivations qui vont du comportement individuel à la rhéologie des suspensions. Ces systèmes peuvent être qualifiés de biomimétique car ils s’inspirent de l’organisation du vivant à l’échelle microscopique ; cellule, échanges et transport. Leur étude répond a des objectifs aussi varies que la compréhension des systèmes vivants, la vectorisation de médicaments, la conception de microtransporteurs et microréacteurs dans les circuits microfluidiques. Le cadre général de notre recherche menée en collaboration avec les Dr. Leonetti et Boedec de l’IRPHE pour la partie expérimentale et théorique, est la simulation numérique aux très petites échelles (régime de Stokes), pour laquelle les couplages complexes avec d’autres phénomènes physiques, chimiques et biologiques ne peuvent être ignores.
Une vésicule de taille caractéristique 20 microns est une membrane close constituée de lipide dont la forme est gouvernée par l’énergie de courbure à l’équilibre thermodynamique (bending) et la contrainte d’incompressibilité à la surface, contrairement au cas des gouttes. Un résultat non trivial est que la forme de la goutte qui sédimente est instable et instationnaire, alors que celle de la vésicule est stationnaire avec des conséquences sur la stabilité des émulsions par exemple. Nous avons développé au laboratoire des modèles originaux axisymétrique et 3D, basés sur des méthodes d’éléments de frontière qui permettent une représentation précise de toutes les caractéristiques de la vésicule (G. Boedec, M. Leonetti and M. Jaeger, J.Comp.Phys. 230 (2011) 1020)
Left – a settling vesicle is so soft that a microtether (tubes) emerges at a submicronic scale (numerical simulation). Right – Red Blood Cells (RBCs) change their shapes in blood vessels due to hydrodynamical stresses.
Une discrétisation en temps semi-implicite associée à une technique d’adaptation automatique de maillage permettent l’étude des vésicules dans des régimes de très grandes déformations. Le code de calcul est actuellement optimisé sur des machines HPC afin de pouvoir prendre en compte des écoulements à grand nombre de vésicules. D’autre part, d’autres structures comme les cytoskeleton seront prises en compte afin de modéliser des cellules de forme plus réaliste. 

Contact : Marc Jaeger 

marc.jaeger@centrale-marseille.fr