Procédés et mécanique aux petites échelles PROMETHEE
Micro-objets déformables sous forçage hydrodynamique
Microfluidique et Procédés
Organisation des écoulements aux petites échelles
Séparations membranaires
suite...
PROcédés et MEcanique aux peTites écHEllEs
Présentation
L’équipe PROcédés et MEcanique aux petiTes écHEllEs (PROMETHEE) développe des compétences marquées relevant aussi bien de la mécanique des milieux continus que du génie des procédés tout en combinant approche expérimentale et développement de théories et de modèles. L’originalité des études menées se décline selon plusieurs spécificités :
Echelle micro-nano d’observation et d’analyse qui évacue les problématiques liées à la turbulence (régime de Stokes) mais nécessite de considérer des aspects aux frontières de la discipline ;
Rôle prédominant des interfaces : interactions avec les parois solides à l’échelle nano (nano-tubes), interaction fluide-structure avec des membranes fluides ou polymérisée à l’échelle méso ;
Connexion avec les fluides complexes, la matière molle et les systèmes biologiques.
Sur le thème de la micro- et nano-fluidique, les objets d’étude, physico-chimiques (gouttes, capsules,…) et biologiques (vésicules, globules rouges,…), comprennent aussi les procédés intensifiés d’encapsulation et de vectorisation par microréacteur, thèmes en plein essor. L’équipe développe également des outils de caractérisation de l’organisation aux petites échelles comme le développement de simulations numériques pour rendre compte de la ségrégation obtenue au sein de milieux granulaires et la mise au point de méthode chimique de caractérisation des effets de micromélange (mélange à l’échelle moléculaire). A cela s’ajoute une activité de caractérisation et modélisation thermodynamique de milieux complexes.
Les outils numériques développés et mis en œuvre sont variés : intégrale de frontière, éléments finis, immersed boundary method, méthode Lattice Boltzman…
Jinming Lyu, Paul G. Chen, Alexander Farutin, Marc Jaeger, Chaouqi Misbah, et al.. Swirling of vesicles: Shapes and dynamics in Poiseuille flow as a model of RBC microcirculation. Physical Review Fluids, 2023, 8 (2), pp.L021602. ⟨10.1103/PhysRevFluids.8.L021602⟩. ⟨hal-03979358v1⟩ Plus de détails...
We report on a systematic numerical exploration of the vesicle dynamics in a channel, which is a model of red blood cells in microcirculation. We find a spontaneous transition, called swirling, from straight motion with axisymmetric shape to a motion along a helix with a stationary deformed shape that rolls on itself and spins around the flow direction. We also report on a planar oscillatory motion of the mass center, called three-dimensional snaking for which the shape deforms periodically. Both emerge from supercritical pitchfork bifurcation with the same threshold. The universality of these oscillatory dynamics emerges from Hopf bifurcations with two order parameters. These two oscillatory dynamics are put in the context of vesicle shape and dynamics in the parameter space of reduced volume v, capillary number, and confinement. Phase diagrams are established for v = 0.95, v = 0.9, and v = 0.85 showing that oscillatory dynamics appears if the vesicle is sufficiently deflated. Stationary shapes (parachute/bullet/peanut, croissant, and slipper) are fixed points, while swirling and snaking are characterized by two limit cycles.
Jinming Lyu, Paul G. Chen, Alexander Farutin, Marc Jaeger, Chaouqi Misbah, et al.. Swirling of vesicles: Shapes and dynamics in Poiseuille flow as a model of RBC microcirculation. Physical Review Fluids, 2023, 8 (2), pp.L021602. ⟨10.1103/PhysRevFluids.8.L021602⟩. ⟨hal-03979358v1⟩
Revaz Chachanidze, Kaili Xie, Jinming Lyu, Marc Jaeger, Marc Leonetti. Breakups of Chitosan microcapsules in extensional flow. Journal of Colloid and Interface Science, 2023, 629, pp.445-454. ⟨10.1016/j.jcis.2022.08.169⟩. ⟨hal-03787637⟩ Plus de détails...
The controlled rupture of a core-shell capsule and the timely release of encapsulated materials are essential steps of the efficient design of such carriers. The mechanical and physico-chemical properties of their shells (or membranes) mainly govern the evolution of such systems under stress and notably the link between the dynamics of rupture and the mechanical properties. This issue is addressed considering weakly cohesive shells made by the interfacial complexation of Chitosan and PFacid in a planar extensional flow. Three regimes are observed, thanks to the two observational planes. Whatever the time of reaction in membrane assembly, there is no rupture in deformation as long as the hydrodynamic stress is below a critical value. At low times of complexation (weak shear elastic modulus), the rupture is reminiscent of the breakup of droplets: a dumbell or a waist. Fluorescent labelling of the membrane shows that this process is governed by continuous thinning of the membrane up to the destabilization. It is likely that the membrane shows a transition from a solid to liquid state. At longer times of complexation, the rupture has a feature of solid-like breakup (breakage) with a discontinuity of the membrane. The maximal internal constraint determined numerically marks the initial location of breakup as shown. The pattern becomes more complex as the elongation rate increases with several points of rupture. A phase diagram in the space parameters of the shear elastic modulus and the hydrodynamic stress is established.
Revaz Chachanidze, Kaili Xie, Jinming Lyu, Marc Jaeger, Marc Leonetti. Breakups of Chitosan microcapsules in extensional flow. Journal of Colloid and Interface Science, 2023, 629, pp.445-454. ⟨10.1016/j.jcis.2022.08.169⟩. ⟨hal-03787637⟩
Jinming Lyu, Paul G. Chen, Alexander Farutin, Marc Jaeger, Chaouqi Misbah, et al.. Swirling of vesicles: Shapes and dynamics in Poiseuille flow as a model of RBC microcirculation. Physical Review Fluids, 2023, 8 (2), pp.L021602. ⟨10.1103/PhysRevFluids.8.L021602⟩. ⟨hal-03979358v2⟩ Plus de détails...
We report on a systematic numerical exploration of the vesicle dynamics in a channel, which is a model of red blood cells in microcirculation. We find a spontaneous transition, called swirling, from straight motion with axisymmetric shape to a motion along a helix with a stationary deformed shape that rolls on itself and spins around the flow direction. We also report on a planar oscillatory motion of the mass center, called three-dimensional snaking for which the shape deforms periodically. Both emerge from supercritical pitchfork bifurcation with the same threshold. The universality of these oscillatory dynamics emerges from Hopf bifurcations with two order parameters. These two oscillatory dynamics are put in the context of vesicle shape and dynamics in the parameter space of reduced volume v, capillary number, and confinement. Phase diagrams are established for v = 0.95, v = 0.9, and v = 0.85 showing that oscillatory dynamics appears if the vesicle is sufficiently deflated. Stationary shapes (parachute/bullet/peanut, croissant, and slipper) are fixed points, while swirling and snaking are characterized by two limit cycles.
Jinming Lyu, Paul G. Chen, Alexander Farutin, Marc Jaeger, Chaouqi Misbah, et al.. Swirling of vesicles: Shapes and dynamics in Poiseuille flow as a model of RBC microcirculation. Physical Review Fluids, 2023, 8 (2), pp.L021602. ⟨10.1103/PhysRevFluids.8.L021602⟩. ⟨hal-03979358v2⟩
Jiupeng Du, Nelson Ibaseta, Pierrette Guichardon. Characterization of polyurea microcapsules synthesized with an isocyanate of low toxicity and eco-friendly esters via microfluidics: Shape, shell thickness, morphology and encapsulation efficiency. Chemical Engineering Research and Design, 2022, 182, pp.256-272. ⟨10.1016/j.cherd.2022.03.026⟩. ⟨hal-04063865⟩ Plus de détails...
There are some studies on the synthesis of polyurea microcapsules. However, there is hardly a case where both green solvents and non-toxic isocyanates are used, especially in microfluidics. In this work, an environmentally friendly chemical system of interfacial polymerization (isocyanate: HDB-LV; solvent: octyl salicylate or dibutyl adipate) is tested for the first time to produce polyurea microcapsules. The size of microcapsules is calibrated at 78 μm by microfluidics to quantitatively analyze the relationships among shell thickness, encapsulation efficiency and isocyanate concentrations. The influences of solvent types and reactant concentrations on the shape, morphology and shell thickness of microcapsules are studied. Esters with low water miscibility and low amine concentrations (lower reaction rate) are crucial for the formation of spherical microcapsules. An ester with high water miscibility can diffuse into the continuous phase during encapsulation, which results in broken microcapsules. A high concentration of amine can probably cause cross-linking not only at the interface but also inside the droplet template, which leads to microcapsule deformation. A linear relationship is observed between the shell thickness of microcapsules and the isocyanate concentration. Overall, a high encapsulation efficiency (more than 90%) for octyl salicylate is achieved with polyurea microcapsules.
Jiupeng Du, Nelson Ibaseta, Pierrette Guichardon. Characterization of polyurea microcapsules synthesized with an isocyanate of low toxicity and eco-friendly esters via microfluidics: Shape, shell thickness, morphology and encapsulation efficiency. Chemical Engineering Research and Design, 2022, 182, pp.256-272. ⟨10.1016/j.cherd.2022.03.026⟩. ⟨hal-04063865⟩
Antoine Galko, Simon Gsell, Umberto d'Ortona, Laurent Morin, Julien Favier. Pulsated Herschel-Bulkley flows in two-dimensional channels: A model for mucus clearance devices. Physical Review Fluids, 2022, 7 (5), pp.053301. ⟨10.1103/PhysRevFluids.7.053301⟩. ⟨hal-03863329⟩ Plus de détails...
28 septembre 2023
- Des crèmes solaires plus sûres, formulées à partir de filtres solaires encapsulés à façon grâce à des procédés en batch et microfluidiques / Soutenance de thèse Pablo Canamas
Doctorant : Pablo CANAMAS
Date : le jeudi 28 septembre 2023 à 13h00 / Amphi n°1- Centrale Méditerranée
Résumé : Le but de cette thèse est de proposer un protocole chimique pour encapsuler durablement des filtres anti-UV organiques. En effet, on veut éviter que ces molécules présentes dans les crèmes solaires puissent pénétrer la barrière cutanée des utilisateurs. Pour cela on réalise des microcapsules en polyurée en adaptant et en optimisant des techniques de synthèse préexistantes.
La première partie du travail réalisé est de définir une taille optimale pour les capsules. En effet, si elles sont trop petites (< 200 nm), les capsules risquent de pénétrer à travers les pores de la peau et si elles sont trop grosses (> 500 µm) elles peuvent gêner lors de l'étalement de la crème. Pour réaliser des microcapsules de diamètre et d'épaisseur contrôlée, deux protocoles de synthèse sont utilisés. D'une part un protocole en batch pour une forte production, et d'autre part un protocole microfluidique qui permet de former une quantité plus faible de capsules mais monodisperses.
Dans cette thèse, un nouveau monomère non toxique contenant des fonctions isocyanates est testé, le biuret HDB-LV. Sa polymérisation interfaciale avec des diamines comme l'ethylenediamine, l'hexamethylenediamine et la guanidine permet d'encapsuler de l'octyl salycilate, un filtre solaire modèle. Etant donné la faible réactivité du biuret, une étude cinétique de la réaction de polymérisation interfaciale est proposée afin d’optimiser l’industrialisation de la réaction.
Pour finir, une étude de l'étanchéité des microcapsules permet de vérifier qu'il n'y a pas de relargage d'octyl salicylate dans les milieux riches en eau (comme la majorité des crèmes solaires). Grâce à la microfluidique, des capsules sur mesure permettent de déterminer quels paramètres sont susceptibles de causer un relargage dans d’autres milieux types comme l’éthanol.
Mots clés: Polymérisation Interfaciale, Microcapsules de polyurée, Procédé Batch, Microfluidique, Cinétique, Relargage, Filtre Solaire
Jury
Mme GUICHARDON Pierrette, Professeure, ECOLE CENTRALE DE MARSEILLE- Direction de thèse
M. DU Jiupeng, Maître de conférences, ECOLE CENTRALE MARSEILLE - Coencadrement de thèse
M. LEONETTI Marc, Directeur de recherche, Aix Marseille Université - Examinateur
Mme SCHMITT Véronique, Directrice de recherche, Université de Bordeaux 1 - Présidente
M. BREMOND Nicolas, Maître de conférences, ESPCI Paris - Rapporteur
Mme MUSCHERT Susanne, Maîtresse de conférence, Université de Lille – Rapporteuse
M. MONTAGNIER Bruno, CEO Capsudev Lab – Invité
M. HUBAUD Jean-Claude, CEO Hélioscience - Invité
Mercredi 16 juin 2021
- De la vague déferlante au globule rouge / Soutenance HDR Paul Gang CHEN
Dr. Paul Gang CHEN
Date de soutenance : le mercredi 16 juin à 15h00 (visio - Zoom)
Résumé : au cours de cette soutenance, je présenterai mes différents travaux sur la modélisation et la simulation numérique d’écoulements interfaciaux : de la vague déferlante au globule rouge.
Jury :
M. Daniel Henry, LMFA, École Centrale de Lyon, Rapporteur
M. Grétar Tryggvason, Johns Hopkins University, Rapporteur
M. Stéphane Zaleski, d’Alembert, Sorbonne Université, Rapporteur
M. Richard Saurel, LMA, Aix-Marseille Université
M. Marc Jaeger, M2P2, École Centrale de Marseille, Tuteur
