Article de référence | Réf : NM250 v1
Auteur(s) : Patrick ABGRALL, Aurélien BANCAUD, Pierre JOSEPH
Date de publication : 10 juil. 2009
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3.1 Transport hydrodynamique en nanocanaux
Les écoulements de fluides en microfluidique ont déjà des particularités par rapport à ceux au sein de systèmes non miniaturisés : les écoulements y sont laminaires, les rapports surface/volume importants, les transferts de chaleurs rapides. Le passage à des nanocanaux amplifie ces effets, et amène également des questions et des phénomènes nouveaux : les lois macroscopiques de l'hydrodynamique sont-elles valables dans un canal d'une vingtaine de nanomètres de profondeur ? Deux classes d'expériences peuvent fournir des éléments de réponse.
Les écoulements sont laminaires en nanofluidique, puisque le nombre de Reynolds Re = ρhν /η (ρ est la masse volumique du fluide), qui dépend linéairement de la taille des canaux, est petit devant l'unité. Il n'y a donc pas de turbulence, et les écoulements sont dominés par les forces visqueuses (régime de Poiseuille).
3.1.1 Remplissage de canaux par capillarité
La première expérience nanofluidique est le remplissage spontané d'un canal. La capillarité, responsable de l'invasion du liquide, traduit l'excès d'énergie des molécules liquides placées en surface, qui ont un nombre de molécules voisines plus faible qu'en volume. Ces phénomènes sont quantifiés par la tension superficielle du fluide γ, qui représente son énergie par unité de surface.
Pour un couple liquide/solide, il faut ajouter l'angle de contact q, angle de repos d'une goutte de liquide de petite taille posée sur le solide. q peut être vu comme caractérisant l'affinité du liquide avec le solide : pour de l'eau par exemple, un solide est hydrophile si q est proche de 0 (on parle de mouillage total), hydrophobe si q dépasse 90o .
De tels effets, surfaciques par essence, sont exaltés lors de la réduction des échelles et deviennent capitaux en nanofluidique: pour un système de taille typique h, le rapport surface-volume varie comme 1/h.
Pour un canal macroscopique de hauteur h, et de largeur grande devant h, l'hydrodynamique prédit un remplissage par capillarité au cours du temps t selon...
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