Interaction fluide-structure, Fibre rigide, Fibre flexible, Dynamique morphologique, Tri des particules, Réseau de piliers, Microfluidique

Le comportement dynamique de particules allongées transportées dans un fluide joue un rôle crucial dans de nombreux domaines de la technologie moderne, tels que la fabrication de papier, la réduction de traînée, la fabrication de matériaux composites et le contrôle de la pollution. De plus, la séparation et la détection des particules en suspension revêtent une grande importance dans la recherche biomédicale, les diagnostics cliniques et l'évaluation des pollutions environnementales. Dans cette thèse, nous étudions de façon systématique la dynamique de fibres rigides et flexibles dans des écoulements visqueux complexes obtenus en présence d'obstacles isolés ou des réseaux de piliers. Pour ce faire, nous combinons des techniques de microfluidique, de synthèse de microparticules, de fabrication de microcanaux et la microscopie de fluorescence. Les particules allongées rigides utilisées dans notre étude sont des fibres de SU-8 synthétisées en laboratoire, d'une longueur typique de 20 à 200 μm et d'un diamètre de 2 à 6 μm. Les fibres flexibles sont des filaments d'actine d'une longueur typique variant de 5 à 50 μm et d'un diamètre de 5 à 9 nm. Les canaux microfluidiques et les systèmes de contrôle d'écoulement sont optimisés et combinés à un microscope optique pour réaliser des expériences bien contrôlées sur la dynamique et le tri des fibres rigides et flexibles. Pour l'étude de l'interaction d'une fibre avec un obstacle individuel, une simulation couplant la méthode de Boltzmann sur réseau et une modélisation des fibres par des ressorts et des billes est réalisée et montre un excellent accord quantitatif avec les résultats expérimentaux. Nous identifions et classifions quatre dynamiques distinctes observées lors de l'interaction d'une fibre rigide avec un obstacle triangulaire. Ces dynamiques sont étroitement liées à l'interaction appelée "contact", entre la fibre et l'obstacle. De plus, le contact influe considérablement sur la déviation latérale de la fibre. En revanche, lors de l'interaction de la fibre flexible avec l'obstacle triangulaire, la déviation latérale est négligeable par rapport à celle de la fibre rigide. L'écoulement devient plus complexe au sein d'un réseau de piliers cylindriques, et les fibres flexibles présentent une grande variété de dynamiques morphologiques distinctes. Ces fibres peuvent se plier dans deux dimensions (2D), adoptant des formes variées allant du C, U et S. De plus, elles peuvent subir des déformations tridimensionnelles (3D), et se déformer dans des structures hélicoïdales, être pliées et même s'enrouler en configurations quasi-sphériques. Leurs modes d'interaction avec les obstacles deviennent également plus variés, avec des piégeages temporaires, de simples passages, du glissement, etc. Ces diverses interactions contribuent au potentiel de tri du réseau de piliers pour les fibres flexibles. Notamment, nos résultats révèlent que les réseaux de piliers avec des angles d'inclinaison de 30° ou 35° démontrent une remarquable capacité à séparer les fibres en fonction de leurs longueurs de contour. Les résultats complets présentés dans cette étude contribuent à une meilleure compréhension de l'interaction fluide-structure dans des environnements microfluidiques complexes. Ces connaissances constituent une pierre angulaire pour déchiffrer les mécanismes sous-jacents de la déviation latérale déterministe (DLD) pour les fibres flexibles.