Sujets de stages/mémoires/thèses

 

Voici plusieurs sujets de stages et mémoires liés aux thèmes du GRASP. Ces sujets  me semblent représenter de belles opportunités à court (TFE) et à moyen terme (thèses de doctorat). Certains sujets possèdent de multiples facettes permettant à un étudiant de s’épanouir pleinement en fonction de ses aptitudes. 


Microfluidique digitale et optofluidique sur réseaux de fibres


La microfluidique est la discipline scientifique qui manipule de très petites quantitiés de fluide. Cette discipline scientifique provient d'une demande accrue tant de l'industrie que du monde scientifique qui réclament des systèmes miniaturisés sur des micropuces afin d’analyser ou de délivrer à la demande de faibles quantités d’un fluide spécifique. La problématique est largement pluridisciplinaire car son développement est lié à la mise en convergence de compétences complémentaires : biotechnologie, génie chimique, chimie analytique, microélectronique, optique, physique des fluides, etc...


Les challenges actuels de la microfluidique concernent la manipulation (division, transport, mélange) d’une microgouttelette à plusieurs composantes et le positionnement de celle-ci sur un capteur permettant l’analyse des réactions qui s’y déroulent. En étudiant des gouttes qui glissent sur des fibres, des travaux réalisés au GRASP ont montré qu’il était possible de diviser une goutte en une mutlitude de microgouttes positionnées sur les noeuds d’un réseau de fibres (a). Dans cette nouvelle approche de la microfluidique, il est possible de fragmenter et de localiser plusieurs dizaines de microgouttes, alors que cette opération est ardue dans les dispositifs microfluidiques conventionels ! Un noeud sur une fibre devient un élément d’un dispositif microfluidique d’un nouveau genre, permettant d’effectuer des opérations bien déterminées. Outre la fragmentation de gouttelettes, il est possible de produire des réactions chimiques dans une seule goutte en injectant les réactifs le long de fibres croisées (b). Le positionnement de microgouttes sur les noeuds d’un réseau de fibres est avantageux car il permet par exemple une lecture aisée d’une réaction biochimique en utilisant la fibre comme guide pour la lumière dans le cadre d’une analyse spectrophotométrique du contenu de la goutte (c).
















Illustrations de gouttes sur réseaux de fibres. (a) Evolution temporelle d’une goutte qui glisse sur une fibre verticale, laissant derrière elle une microgoutte à l’intersection de deux fibres. Ce processus permet la fragmentation d’une goutte en plusieurs microgouttes. (b) Réaction chimique à l’intersection de deux fibres. (c) Trois gouttes d’eau contenant trois concentrations différentes en ions Ca++ avec un indicateur fluorescent. La lumière amenée par une fibre diagonale induit une fluorescence dans ces gouttes. La seconde fibre diagonale récolte le signal lumineux permettant de mesurer la concentration en ions.



Les recherches décrites ci-dessus ont amorcé une nouvelle microfluidique digitale en système ouvert dont la première réalisation scientifique est développée dans le cadre d’une convention FNRS/FRFC. Afin de limiter les phénomènes d’évaporation, un second liquide non-miscible à faible tension de vapeur est utilisé. Bien que l’encapsulation et la manipulation de gouttes encapsulées soit possible sur des fibres, de nombreux mécanismes physiques restent encore à établir. Le présent projet de TFE s’inscrit dans cette dynamique de recherche en se focalisant sur les aspects fondamentaux nécessaires au développement d’une microfluidique digitale sur réseaux de fibres.


Le TFE peut être orienté vers :


  1. 1.L’expérimentation avec l’études de gouttes bicomposantes qui coalescent sur des fibres, travail original qui devrait conduire à des résultats exploitables dans le cadre du projet FNRS.


  1. 2.La théorie avec l’étude de la dynamique d’une goutte glissant sur une fibre verticale. La théorie est basée sur une approche semi-empirique pour modéliser les forces gravifiques, interfaciales et dissipatives qui agissent sur ce système. Les résultats pourront être directement comparés aux nombreuses données expérimentales déjà disponibles. 


  1. 3.La simulation numérique de la forme des gouttes à deux composantes sur les fibres en utilisant le logiciel libre «Surface Evolver». Ce projet est un véritable challenge car la simulation de systèmes à deux composantes n’a encore jamais été réalisé. Ceci peut se faire en collaboration avec le créateur du logiciel K.Brakke.




Auto-assemblages programmés et reconfigurables


L’auto-assemblage est un procédé qui profite des interactions particulières entre micro-objets (microparticules, macromolécules, nanofilaments, particules colloïdales, etc) afin de créer un ordre structurel. Ce type de processus est remarquable car une organisation émerge spontanément d’un désordre complet. La nature conçoit par exemple des molécules qui s'auto-assemblent pour former des structures fonctionnelles supramoléculaires.


Les développements actuels de la microfabrication d’objets fonctionnels sont intimement liés aux phénomènes d’auto-organisation. En effet, l’auto-assemblage est une alternative aux procédés lourds et coûteux de manipulation d’objets microscopiques, car il permet de traiter un très grand nombre de micro-objets. On peut par exemple profiter de la capillarité pour assembler des objets placés le long d’une interface eau-air. Si la capillarité conduit des flotteurs sphériques à s’organiser selon une structure aléatoire, des paramètres de forme ou de taille des objets induisent des interactions différentes qui organisent les objets selon d’autres lois encore mal comprises (a,b). Il est donc possible de jouer sur la forme des objets pour programmer leurs interactions et ainsi obtenir une structure cible.



Objets cruciformes à la surface d’un liquide placé dans une boîte de Petri. (a) Objets simples présentant une organisation faiblement ordonnée. (b) Objets programmés conduisants à une disposition en réseau carré. (c) Objets programmés pour former des structures de symétrie 5.



L’auto-assemblage programmé a été testé et validé au GRASP (b,c) cette année. On imagine aller plus loin en développant des objets qui changent de forme afin d’ajuster l’interaction capillaire. A l’aide de microactuateurs, les interactions capillaires pourraient devenir attractives ou répulsives. Les structures composées de particules actives ayant cette propriété seraient reconfigurables. Le projet de TFE consiste à poursuivre le développement d’objets actifs pour l’auto-organisation.


Le TFE peut être orienté vers :


  1. 1.L’expérimentation avec la (micro-)fabrication d’éléments actifs munis de micro-actuateurs. Cette fabrication n’a jamais été tentée et représente un excellent challenge pour un étudiant motivé.


  1. 2.La théorie avec l’étude des déformations de l’interface pour oprimiser la forme des flotteurs afin de générer des interaction directionnelles. Il peut également être question d’interactions multiples (capillaires et magnétiques) et d’interactions hiérarchiques (à diverses échelles).





Gaz granulaires en microgravité


Un gaz granulaire est un ensemble de particules solides en mouvement qui interagissent via des collisions dissipatives. Le système perd de l'énergie au fil des collisions : le gaz se refroidit. Contre toute attente, l'injection continue d'énergie mécanique dans le système donne lieu à une grande richesse de comportements lorsque des condensats de particules se forment. De nombreuses questions fondamentales comme la modélisation de ces condensats restent aujourd’hui sans réponse.


C'est pourquoi l'ESA a placé dans ses priorités l'expérimentation de gaz granulaires sur la station spatiale internationale (ISS). Un consortium international de scientifiques, codirigé par E.Falcon (Univ. Paris Diderot) et N.Vandewalle (Univ. Liège) a proposé une expérience qui volera après 2015. Afin de bien préparer cette mission, des simulations numériques réalisées à Liège permettent de clarifier les protocoles et de fixer les valeurs des paramètres expérimentaux. Des tests sont également prévus sur un prototype conçu par une société française qui est chargée de livrer l’instrument «Spacegrains» à l’ESA.




(a) Logo de la mission «Spacegrains» qui doit voler après 2015 sur l’ISS. (b) Comparaison entre un gaz granulaire réalisé en fusée sonde et des simulations numériques réalisées au GRASP à l’Université de Liège.



Les expérimentations prévues sont séparées en 4 Work Packages : (WP1) condensation, (WP2) systèmes denses, (WP3) convection, (WP4) mélanges granulaires. Seu le WP1 a été exploré jusqu’à présent. Les phénomènes les plus exotiques (et donc les plus intéressants) sont versés dans le WP4 : ségrégation de phases (mélanges), particules non-sphériques, «ratchets» et démons de Maxwell, etc...


Le but du TFE est de préparer la mission sur l'ISS mais également d’explorer des phénomènes encore peu connus du WP4. Ce TFE nécessite une bonne connaissance de l’anglais car de nombreuses discussions sont à prévoir avec d’autres groupes et avec les responsables de l’ESA. Le TFE est principalement orienté vers le travail numérique.




Organisation de dipôles


Des billes magnétisées peuvent former une grande variété de structures 1D, 2D et 3D. Alors que ces objets sont considérés comme des curiosistés pour geeks en mal de procrastination (www.theneocube.com), des questions fondamentales se posent sur le lien subtil qui doit exister entre les interactions dipole-dipole et la stabilité de ces ensembles. Sur l’image ci-dessous, des billes magnétiques forment un cube de 6x6x6 éléments. Un algorithme simple permet d’explorer les différentes configurations stables de cet édifice. On remarque immédiatement que les orientations des dipôles sont non-triviales.




Le but du TFE sera d’explorer des configurations simples afin de mieux comprendre ce lien entre stabilité et dipôles. Ce travail est tout à fait original et pourrait conduire à apporter une contribution singulière à la physique statistique. Le travail sera une mélange d’aspects théoriques et numériques.