Une nouvelle technique de séparation microfluidique

A l’image de la microélectronique permet de contrôler le flux des électrons et de fabriquer des circuits à l’échelle microscopique, la microfluidique vise à comprendre et manipuler la circulation des fluides à petites échelles, dans des canaux micrométriques. Dans ce domaine de recherche très fécond, une collaboration entre le Laboratoire d’hydrodynamique de l’École polytechnique et le Laboratoire de physique et mécanique des milieux hétérogènes de l’ESPCI vient de découvrir un phénomène fondamental inattendu qui ouvre des perspectives d’utilisations.

Un déplacement latéral 

 Les applications de la microfluidique sont déjà présentes notamment en ingénierie chimique, biomédicale ou environnementale. Il s’agit par exemple de séparer différentes espèces chimiques ou de séparer des molécules biologiques (comme de l’ADN) dans un fluide. Une technique existante pour trier des particules consiste à faire s’écouler le fluide dans un canal dans lequel se trouve des piliers micrométriques. Les particules les plus petites suivent l’écoulement. Au-delà d’une certaine taille, les collisions avec les piliers entraînent un déplacement latéral au cours du parcours dans le canal, permettant un filtrage des particules en sortie. « Cependant, cette technique fonctionne pour les particules rigides et sphériques, mais pas pour des objets déformables et allongés comme des fibres » explique Blaise Delmotte, chargé de recherche CNRS au LadHyX.

C’est un peu par accident que lui et ses collègues ont trouvé une méthode qui fonctionne pour ces fibres. Les défis ne manquaient pas : « au niveau expérimental, travailler avec des fibres requiert un degré de contrôle élevé. De même pour reproduire les résultats par des modélisations numériques car il faut prendre en compte l’élasticité de la fibre et sa rétroaction sur l’écoulement » poursuit le chercheur. 

Dans les expériences effectuées à l’ESPCI, des fibres très flexibles –des filaments d’actine de quelques micromètres– circulent dans un réseau de piliers dont l’orientation est légèrement inclinée par rapport à la direction du courant. Les fibres les plus courtes zigzaguent entre les poteaux en suivant l’écoulement. Les fibres les plus longues ont un comportement similaire car elles sont très déformables et peuvent se replier sur elles- mêmes.

Légende image : Circulation de fibres de différentes longueurs dans un canal microfluidique rempli de piliers. Expériences (encadrés noirs) et modélisations. Crédit : Zhibo Li/Clément Bielinski/Anke Lindner/Blaise Delmotte/Olivia du Roure.

Comme un filtre « passe-bande »

La surprise vient des fibres dont la longueur est intermédiaire, qui ont tendance à s’enrouler autour des piliers et à « sauter » ainsi d’obstacle en obstacle avec un déplacement latéral. Ce résultat se reproduit d’expérience en expérience, avec un angle de déplacement quasiment identique. De plus, les modélisations numériques correspondent aux expériences. « Ce système fonctionne un peu comme un filtre passe-bande en électronique, c’est-à-dire qu’il permet de sélectionner les particules dans une certaine gamme de longueur » souligne Blaise Delmotte. Cette gamme dépend de nombreux paramètres tels que la nature de l’écoulement, la taille et l’espacement des piliers, etc.

En outre, les chercheuses et chercheurs ont réussi à expliquer ce phénomène imprévu. Les fibres de longueur intermédiaire s’enroulent en partie autour des piliers. La partie qui reste libre est tirée par l’écoulement : une tension interne se développe dans la fibre. Or, un objet en tension possède la propriété de résister à l’écoulement qui le tire. Il aura donc plutôt tendance à « sauter » et à se déplacer latéralement.

Ce phénomène pourrait aussi avoir des applications. De nombreux domaine sont susceptibles de trouver un intérêt à trier des fibres, que ce soient des microplastiques, des fibres textiles ou des colonies bactériennes qui prennent parfois la forme de longs filaments. 

Désormais, les scientifiques poursuivent leur exploration fondamentale du comportement des fibres en microfluidique grâce à un projet financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR).

Référence de l’article :

Z. Li, C. Bielinski, A. Lindner, B. Delmotte, & O. du Roure, A microfluidic band-pass filter for flexible fiber separation, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (6) e2520537123, https://doi.org/10.1073/pnas.2520537123 (2026).

*LadHyX : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France