{"id":8260,"date":"2022-07-04T10:24:08","date_gmt":"2022-07-04T08:24:08","guid":{"rendered":"https:\/\/wp.unil.ch\/geoblog\/?p=8260"},"modified":"2024-01-10T09:41:58","modified_gmt":"2024-01-10T08:41:58","slug":"voyage-de-solutions-en-milieux-poreux-du-flux-microscopique-au-transport-macroscopique","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/wp.unil.ch\/geoblog\/2022\/07\/voyage-de-solutions-en-milieux-poreux-du-flux-microscopique-au-transport-macroscopique\/","title":{"rendered":"Voyage de solutions en milieux poreux : du flux microscopique au transport macroscopique"},"content":{"rendered":"\n
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Une importante \u00e9tude parue dans Nature Communications<\/a><\/em> d\u00e9crypte par une mod\u00e9lisation l\u2019influence physique des microstructures dans les milieux poreux sur le transport global de particules entra\u00een\u00e9es par des fluides.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Cette avanc\u00e9e fondamentale dans le domaine de la dynamique des fluides est tout sauf banale en regard de ses tr\u00e8s nombreux domaines d\u2019application, de l\u2019environnement \u00e0 la m\u00e9decine, du charriage dans les rivi\u00e8res en passant par la remin\u00e9ralisation ou d\u00e9contamination des sols, au flux sanguin ou au transport de mol\u00e9cules dans les membranes et tissus biologiques.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Quelques gouttes de s\u00e9rendipit\u00e9<\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Comment les Dr Ankur D. Borodoloi et David Scheidweiler, deux postdocs de l\u2019Institut des sciences de la Terre (ISTE), ont-ils r\u00e9ussi \u00e0 mod\u00e9liser le transport de fluides dans des milieux poreux ? <\/p>\n\n\n\n

Au cours de leurs travaux au sein du Laboratoire de m\u00e9canique des fluides<\/a>,  \u00e9tudiant le transport de particules \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur d\u2019un substrat artificiel reproduisant au plus pr\u00e8s les structures de milieux poreux, ces deux jeunes chercheurs ont constat\u00e9 que leurs observations ne correspondaient pas aux pr\u00e9dictions des mod\u00e8les \u00e9tablis (bas\u00e9s essentiellement sur des principes de diffusion passive). Ils ont surtout constat\u00e9 que les particules (collo\u00efdes) mettaient notablement plus de temps \u00e0 traverser le milieu qu\u2019attendu.<\/p>\n\n\n\n

Ils ont donc approfondi leur \u00e9tude en observant les flux de ces collo\u00efdes au c\u0153ur m\u00eame des microstructures constituant le substrat. En compilant des milliers d\u2019images de microscopie \u00e0 fluorescence, ils ont pu identifier que des courants de convection se cr\u00e9aient \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur de pores \u00ab\u00a0en cul de sac\u00a0\u00bb (dead-end pores), maintenant \u00ab\u00a0prisonni\u00e8res\u00a0\u00bb une partie des particules. Ce r\u00e9sultat \u00e9tait inattendu, car on n\u2019imaginait pas que de tels courants puissent se cr\u00e9er \u00e0 une aussi petite \u00e9chelle.<\/p>\n\n\n\n

Un mod\u00e8le math\u00e9matique a ensuite \u00e9t\u00e9 \u00e9tabli, afin de pouvoir d\u00e9crire et pr\u00e9dire la vitesse de transport de microparticules et le temps qui leur est n\u00e9cessaire pour traverser un milieu poreux. Les facteurs cl\u00e9s de ce mod\u00e8le sont l\u2019\u00e9paisseur du milieu et la distribution de la taille des pores qu\u2019il contient. Le fait de pouvoir mieux conna\u00eetre ces m\u00e9canismes subtils ouvre de nombreuses perspectives de d\u00e9veloppement. L\u2019\u00e9quipe de Pietro de Anna se penche sur plusieurs projets li\u00e9s \u00e0 ce sujet, dont la dynamique de croissance de bact\u00e9ries dans de tels milieux. La compr\u00e9hension de ces ph\u00e9nom\u00e8nes est particuli\u00e8rement int\u00e9ressante, consid\u00e9rant par exemple, que les cellules de la paroi de l\u2019intestin ou du rein \u00e9laborent des microvillosit\u00e9s cr\u00e9ant un milieu analogue \u00e0 ceux \u00e9tudi\u00e9s ici. Ainsi la dynamique d\u2019absorption ou de diffusion de mol\u00e9cules m\u00e9dicamenteuses dans ces organes pourrait \u00eatre abord\u00e9e sous un nouvel angle.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Le Laboratoire de m\u00e9canique des fluides<\/h5>\n\n\n\n

Le Laboratoire de m\u00e9canique des fluides travaille principalement \u00e0 identifier les m\u00e9canismes qui relient des ph\u00e9nom\u00e8nes observables au niveau macroscopique, aux processus existants au niveau microscopique.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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Vous avez dit s\u00e9rendipit\u00e9 ?<\/h4>\n\n\n\n

La d\u00e9marche adopt\u00e9e par ces chercheurs cadre bien \u00e0 la d\u00e9finition donn\u00e9e par Sylvie Catellin de la s\u00e9rendipit\u00e9, \u00ab\u00a0l’art de d\u00e9couvrir ou d’inventer en pr\u00eatant attention \u00e0 ce qui surprend et en imaginant une interpr\u00e9tation pertinente\u00a0\u00bb 1<\/a><\/sup>; une d\u00e9marche \u00e0 l\u2019origine de nombreuses d\u00e9couvertes scientifiques, comme le \u00ab\u00a0Aha !\u00a0\u00bb d\u2019un fameux Prix Nobel lausannois.  <\/p>\n\n\n\n

Ce n\u2019est pas le hasard qui est \u00e0 l\u2019origine des d\u00e9couvertes (ce qui att\u00e9nuerait le m\u00e9rite du chercheur) : le hasard apporte juste l\u2019opportunit\u00e9 pour le scientifique de faire preuve de sagacit\u00e9, de son aptitude \u00e0 trouver une solution, une explication, une m\u00e9thode, une loi ou une r\u00e8gle scientifiques face \u00e0 ce qui le surprend ou l\u2019interpelle au cours de ses travaux. Surmonter l\u2019interpellation du hasard est au c\u0153ur des comp\u00e9tences du chercheur et fait appel \u00e0 sa cr\u00e9ativit\u00e9, \u00e0 sa culture g\u00e9n\u00e9rale, \u00e0 ses comp\u00e9tences transversales ou sp\u00e9cifiques et le plus souvent \u00e0 son intelligence \u00e0 \u00e9tablir, au niveau cognitif, des liens in\u00e9dits menant \u00e0 des solutions nouvelles.<\/p>\n\n\n\n

1<\/sup> Sylvie Catellin (pr\u00e9f. Laurent Loty), S\u00e9rendipit\u00e9 du conte au concept<\/a><\/em>, Paris, \u00c9d. du Seuil, coll. \u00ab\u00a0Science ouverte\u00a0\u00bb, 2014<\/small><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

Pour aller plus loin, en dialogue avec le Prof. Pietro de Anna<\/h4>\n\n\n\n
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Pietro de Anna, Institut des sciences de la Terre<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Pourquoi la circulation des fluides dans un milieu poreux n\u2019\u00e9tait-elle pas mieux connue jusqu\u2019ici ?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Les flux \u00e0 travers les milieux poreux sont tr\u00e8s lents (quelques microns par seconde). De ce fait la plupart des scientifiques estimaient que les liquides et microparticules les traversaient passivement sans dynamique particuli\u00e8re et qu\u2019il suffisait de d\u00e9terminer une vitesse moyenne d\u2019\u00e9coulement et de diffusion pour d\u00e9crire leur transport. Les structures tr\u00e8s complexes de ces milieux ont \u00e9galement repr\u00e9sent\u00e9 un frein \u00e0 des \u00e9tudes plus approfondies. En effet aucun dispositif exp\u00e9rimental existant ne permettait de recr\u00e9er cette complexit\u00e9 ou d\u2019obtenir une observation fine des flux au sein des microstructures.<\/p>\n\n\n\n

Quelles ont \u00e9t\u00e9 les \u00e9tapes cl\u00e9s pour r\u00e9ussir \u00e0 d\u00e9finir ce mod\u00e8le ? <\/strong><\/p>\n\n\n\n

Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous avons travaill\u00e9 \u00e0 la r\u00e9alisation d\u2019un milieu synth\u00e9tique permettant \u00e0 la fois de recr\u00e9er la complexit\u00e9 d\u2019un milieu poreux et d\u2019observer les flux au sein des microstructures. Nous avons r\u00e9ussi \u00e0 r\u00e9aliser des plaquettes transparentes en polym\u00e8re (i.e. microfluidiques) dot\u00e9es d\u2019une structure interne que nous pouvons fa\u00e7onner selon nos besoins. Les microfluidiques se pr\u00e9sentent sous la forme de lames minces dans lesquelles nous faisons passer des suspensions de collo\u00efdes.<\/p>\n\n\n\n

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Sch\u00e9ma de l\u2019exp\u00e9rience r\u00e9alis\u00e9e : a. plaquette de microfluidique contenant une solution de collo\u00efdes. b. Zoom sur les microstructures composant le microfluidique.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Une fois ce dispositif mis en place, nous avons r\u00e9alis\u00e9 plusieurs exp\u00e9riences de mesures du transport de particules \u00e0 travers les microfluidiques<\/em>, afin de d\u00e9terminer si les mod\u00e8les simples utilis\u00e9s jusqu\u2019ici se v\u00e9rifiaient. Nous avons constat\u00e9 des anomalies par rapport aux r\u00e9sultats attendus avec des retards de diffusion.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Les structures poreuses<\/strong> sont constitu\u00e9es de r\u00e9seaux de canaux remplis de particules ou microorganismes en suspension qui sont entrecoup\u00e9s de pores \u201cen cul-de sac\u201c dans lesquels ces flux sont interrompus. Ces structures sont pr\u00e9sentes notamment dans les sols, les filtres industriels, les membranes ou les tissus biologiques. Les microfluidiques<\/em> sont fa\u00e7onn\u00e9es de mani\u00e8re \u00e0 recr\u00e9er les conditions des milieux poreux avec une distribution homog\u00e8ne de canaux et pores isol\u00e9s.  Cette m\u00e9thode est d\u00e9crite plus en d\u00e9tail dans l\u2019article du G\u00e9oblog : Journ\u00e9e d\u2019un chercheur \u2013 Pietro de Anna<\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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\u00ab Nous avons donc con\u00e7u une exp\u00e9rience nous permettant d\u2019observer les m\u00e9canismes de transport se produisant au niveau microscopique, afin de comprendre les effets inattendus observ\u00e9s au niveau macroscopique. \u00bb<\/p>\nProf. Pietro de Anna<\/cite><\/blockquote>\n\n\n\n

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Flux de particules observ\u00e9es \u00e0 la sortie des microfluidiques (points bleus) par rapport au flux attendu (ligne verte). Un temps plus long que pr\u00e9vu est n\u00e9cessaire pour que les collo\u00efdes traversent le milieu.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Les microfluidiques ont \u00e9t\u00e9 remplies d\u2019une suspension de collo\u00efdes et une solution de lavage a \u00e9t\u00e9 inject\u00e9e \u00e0 une extr\u00e9mit\u00e9 de la plaque. Le mouvement des collo\u00efdes en suspension a \u00e9t\u00e9 d\u00e9termin\u00e9 en enregistrant des images \u00e0 intervalles r\u00e9guliers \u00e0 l\u2019aide d\u2019un microscope \u00e0 fluorescence. Ces images ont \u00e9t\u00e9 ensuite superpos\u00e9es afin d\u2019\u00e9valuer le d\u00e9placement ou au contraire la stagnation de collo\u00efdes en suspension.<\/p>\n\n\n\n

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Images des collo\u00efdes en suspension au d\u00e9but de l\u2019exp\u00e9rience et apr\u00e8s 6h de traitement. Les collo\u00efdes pr\u00e9sents dans les canaux (en vert) sont majoritairement lav\u00e9s, alors que ceux dans les pores (en rouge) restent prisonniers.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Au terme de l\u2019exp\u00e9rience et de la superposition de milliers d\u2019images, nous avons pu observer qu\u2019un mouvement de convection se cr\u00e9e dans les pores \u00ab\u00a0en cul de sac\u00a0\u00bb, ce qui retient les particules \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur. Ceci est tout \u00e0 fait inattendu car on ne pensait pas que de tels mouvements pouvaient se former \u00e0 une si petite \u00e9chelle (une vingtaine de microns).<\/p>\n\n\n\n

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Image de collo\u00efdes tourbillonnant dans un pore (en bleu). Cette photo a \u00e9t\u00e9 s\u00e9lectionn\u00e9e pour le concours [Figure 1.A.] 2022<\/a> et sera expos\u00e9e \u00e0 l\u2019H\u00f4tel de Ville de Lausanne du 21 septembre au 3 octobre 2022. <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Sch\u00e9ma des courants de convection observ\u00e9s.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

A partir de ces observations nous avons r\u00e9alis\u00e9 un mod\u00e8le math\u00e9matique permettant de d\u00e9crire ces ph\u00e9nom\u00e8nes de tourbillons. Ce mod\u00e8le permet de d\u00e9crire le transport de particules au travers d\u2019un milieu poreux \u00e0 n\u2019importe quel stade du transport. Les \u00e9l\u00e9ments d\u00e9terminants de ce mod\u00e8le sont la longueur du mat\u00e9riau travers\u00e9 et la distribution de la taille des pores.<\/p>\n\n\n\n

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R\u00e9f\u00e9rence bibliographique<\/h4>\n\n\n\n