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Dyfcom

Physique des suspensions et des biofluides

publié le , mis à jour le

Un des piliers de l’activité de l’équipe DYFCOM réside dans une approche multi-échelle de l’écoulement de fluides complexes, depuis une étude de la dynamique microscopique des suspensions jusqu’à la rhéologie à l’échelle macroscopique et la dynamique de suspensions dans des situations mettant en jeu des interactions hydrodynamiques et des couplages avec des champs externes.
Un sujet majeur est la dynamique de suspensions de particules molles en écoulement, gouvernée par leur déformabilité et influencée par une hydrodynamique complexe et les contacts. Au delà de questions générales et complexes d’intérêt fondamental, les suspensions de cellules vivantes sont une source d’inspiration depuis les systèmes modèles jusqu’aux applications.

Vésicules et capsules comme modèles de globules rouges

Top : shapes of vesicles in flow ; bottom : lift velocity of a vesicle near a wall vs. asphericity (experiments and simulations).

Dans son approche ascendante des écoulements sanguins (c’est à dire en prenant explicitement en compte la dynamique des éléments sanguins), l’équipe a acquis une expertise dans la modélisation de la mécanique du globule rouge, le composant majeur du sang, depuis des modèles simples comme les vésicules lipidiques (membranes fluides) jusqu’à des modèles plus réalistes de capsules élastiques (possédant une élasticité de cisaillement de la membrane mimant le cytosquelette des globules rouges). Les grandes déformations subies par les globules rouges en écoulement représentent un défi théorique et numérique qui est abordé à travers différentes méthodes complémentaires en lien avec l’expérience.

Publications associées

Interactions hydrodynamiques et diffusion induite par cisaillement

Hydrodynamic diffusion of Red Blood Cells

Dans les suspensions semi-diluées de particules déformables comme les vésicules et globules rouges, les interactions hydrodynamiques sont un ingrédient essentiel de la structure et de la dynamique de la suspension en écoulement. Une étude expérimentale et numérique des interactions de paire de vésicules en écoulement de cisaillement a notamment été effectuée, ce mécanisme conduisant à une répulsion hydrodynamique entre objets mous et à une diffusion induite par cisaillement à l’échelle de la suspension, ingrédient clé de la structuration des écoulements sanguins. Dans les suspensions de globules rouges, une étude expérimentale a révélé que ce phénomène est sous-diffusif et que les interactions de paire dominent même en régime semi-dilué, avec des profils de concentration abrupts et une diffusivité anisotrope.

Publications associées

Dynamique de suspensions actives

Swimmers

Les suspensions actives sont répandues dans la nature (bactéries, plancton, sperme etc...) ainsi que dans l’industrie où des suspensions à viscosité contrôlable sont d’un intérêt considérable du fait de leur présence dans de nombreux systèmes comme des amortisseurs actifs, embrayages ou freins. Ils représentent également une classe fascinante de systèmes hors-équilibre qui présente une grande richesse de comportements, en particulier sous l’angle de l’hydrodynamique et de la physique statistique. Nous travaillons sur les propriétés fondamentales de suspensions actives ou passives, combinant études expérimentales, modélisation et simulations numériques. Les études couvrent les propriétés microscopiques de ces suspensions, comme la nage à bas nombre de Reynolds de micro-algues motiles (Chlamydomonas Rheinhardtii) et avons établi la première preuve expérimentale de l’effet de la motilité sur une augmentation de la viscosité effective d’une suspension de micro nageurs de type "tireur". Nous avons également montré comment le couplage entre le phototactisme et un écoulement de Poiseuille conduit à une migration spontanée des micro nageurs vers le centre du canal d’écoulement.

Publications associées

Confined Red Blood Cells

Confined Red Blood Cells
Confined Red Blood Cells
Shape diagram of vesicles in confined flow25 ; Clustering of model cells in capillary flow27

Shapes of vesicles and RBCs in confined flow : A significant theoretical and experimental effort has been put on the understanding of the shapes of individual cells in microchannel flow, an essential ingredient of the rheology of confined blood and of the structuring of cell files, a route towards clustering. We have shown that surprising transitions from parachute to bullet shapes exist for vesicles, with counter-intuitive effects of an asymmetry of the channel’s cross section due to the coupling with surface flow patterns24. On the other hand, even in a symmetric flow, very deflated objects like RBCs adopt an asymmetric slipper shape, a previously unexplained phenomenon reported by Skalak (Science 1969). We have shown that the slipper shape is a robust feature resulting from the instability of the symmetric (parachute) shape25, highliting the fact that neither three dimensionality, nor confinement or cytoskeleton (present within RBCs) are necessary ingredients. Two outcomes of this study are : (i) the slipper moves faster than the parachute and (ii) the slipper is associated with membrane tanktreading (TT), which mixes the internal RBC solution thereby enhancing oxygen and ATP exchange.
Clustering of red blood cells in capillary flow : The formation of clusters of red blood cells in flow, besides its influence on blood rheology through a modification of local viscous dissipation, and hematocrit homogeneity, may have an impact on pathological events such as thrombus formation, which can lead to occlusion of blood vessels, embolism and ischemia.

Acoustic manipulation of objects in microflows

Acoustic tweezers
Acoustic tweezers
Manipulation of microbubbles by acoustic tweezers

Suspended particles, cells, droplets or bubbles usually follow the flow in microfluidic conditions. Here we show how acoustic waves may create forces than can compete to drag so as to manipulate them individually. Acoustic waves do not only propagate through object bodies : they can also exert a radiation force on them, when the amplitude is high enough. We took advantage of this non- linear property to manipulate objects in microchannels. Any objects are potentially submitted to these acoustic forces. We could achieve the demonstration of fast "acoustic tweezers", by shaping the ultrasonic field and shifting its position in the xy plane. Red or white blood cells, droplets can be handled and moved around within micro-channels at frequencies larger than 30 Hz30. Bubbles can be pushed easily31 because of their resonance at a specific frequency.
At resonance, bubbles also emit a wave that exerts a (secondary) acoustic radiation force to other neighbour bubbles. We discovered that when the bubbles are confined in a microchannel, the waves propagate at the surface of channel walls, and this leads to a very strong interaction. Bubbles then self-organize in at a specific distance given by the wavelength. We observe patterns that we called "acoustic crystals", because these regular arrangements are solely mediated by an interaction force, of acoustic nature32. Note that the resonance of bubbles is at the origin of a large pulsation of their volume, helpful to design contrast agents that efficiently scatter back the ultrasonic emissions in ultrasound echography.

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