EP3691797A1 - Procede d'assemblage de particules gravitationnel - Google Patents

Procede d'assemblage de particules gravitationnel

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Publication number
EP3691797A1
EP3691797A1 EP18785900.4A EP18785900A EP3691797A1 EP 3691797 A1 EP3691797 A1 EP 3691797A1 EP 18785900 A EP18785900 A EP 18785900A EP 3691797 A1 EP3691797 A1 EP 3691797A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
colloidal suspension
sedimentation
particles
sample
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18785900.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
David Peyrade
Anthony Leonard
Julien Cordeiro
Olivier LECARME
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Smart Force Technologies
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Grenoble Alpes
Original Assignee
Smart Force Technologies
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Grenoble Alpes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Smart Force Technologies, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Grenoble Alpes filed Critical Smart Force Technologies
Publication of EP3691797A1 publication Critical patent/EP3691797A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/18—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by dipping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D2401/00—Form of the coating product, e.g. solution, water dispersion, powders or the like
    • B05D2401/30—Form of the coating product, e.g. solution, water dispersion, powders or the like the coating being applied in other forms than involving eliminable solvent, diluent or dispersant
    • B05D2401/32—Form of the coating product, e.g. solution, water dispersion, powders or the like the coating being applied in other forms than involving eliminable solvent, diluent or dispersant applied as powders

Definitions

  • the present invention relates to the field of assembling particles on a surface of a sample.
  • the present invention relates in particular to the assembly of particles contained in a colloidal suspension on the surface of a microstructured substrate.
  • the Marangoni effect describes the phenomenon of particle overconcentration in the colloidal suspension in the vicinity of the triple sample / colloidal suspension / air interface. During movement of the colloidal suspension relative to the sample, the capillary forces trap the particles in the microstructures.
  • An object of the invention is in particular to propose a method:
  • a method of assembling particles on a microstructured surface of a sample comprising:
  • sedimentation step of particles contained in the colloidal suspension so that particles sediment towards the surface of the sample, the sedimentation step being carried out at a so-called sedimentation temperature interval.
  • the method according to the invention may comprise a condensation step implemented:
  • the condensation step being carried out at a temperature interval called condensation, an upper limit of the condensation temperature interval being lower than a lower limit of the interval temperature recovery.
  • microstructured surface denotes a surface having microstructures arranged according to one or more predetermined patterns.
  • a microstructure extends at least in part in a direction extending mainly from a face of the sample comprising the microstructured surface towards the interior of the sample.
  • a microstructure can be arranged to receive one or more particles.
  • a microstructure may preferably be arranged to receive a single particle.
  • a microstructure may have any shape.
  • Most of the particles contained in the colloidal suspension may preferably be sedimentation particles.
  • the term "a major part of particles" can be understood as a portion greater than 50% of the number of such particles.
  • each microstructure may have a minimum ferret diameter greater than a given threshold value and each particle contained in the colloidal suspension may have a maximum ferret diameter less than this given threshold value, so that the particles can freely penetrate the microstructures under the effect of gravitation.
  • the covering step may preferably be carried out by laminar flow of the colloidal suspension on the surface of the sample in a direction substantially parallel to said surface of the sample.
  • an interval may be limited to a single value.
  • a lower bound of this interval is equal to an upper bound of this interval which is equal to this unique value.
  • the sedimentation particles preferably penetrate at least part of the microstructures.
  • the sedimentation stage preferably at least a portion of the sedimentation particles penetrate entirely into the microstructures.
  • a particle can freely enter a microstructure to a surface forming a bottom of the microstructure.
  • a number of particles contained in the colloidal suspension may preferably be at least equal to the number of microstructures contained in the microstructured sample.
  • an upper bound or a lower bound of an interval may be less than or equal to, respectively greater than or equal to, a lower bound or an upper bound, respectively.
  • an interval for example respectively of temperature
  • Gas bubbles may be trapped in the microstructures during the implementation of the recovery step.
  • the gas bubbles consist of the gas surrounding the sample during the implementation of the recovery step.
  • the condensation step is arranged to expel gas bubbles contained in all or part of the microstructures by:
  • the gas surrounding the sample may be ambient air.
  • the condensation step makes it possible to expel the air bubbles from the microstructures by:
  • the condensation step may be carried out previously at the sedimentation stage and a lower limit of the sedimentation temperature interval may be greater than an upper limit of the condensation temperature range.
  • the condensation step may preferably be performed at a condensation temperature such that an upper limit of the condensation temperature range is at least 10 degrees Celsius (°) lower than the lower limit of the range. sedimentation temperature.
  • the condensation step may be at least partly carried out simultaneously with the sedimentation step.
  • the condensation step can be carried out completely simultaneously at the sedimentation stage.
  • the method according to the invention may comprise a step of trapping particles in the microstructures of the sample, the trapping step being carried out:
  • the trapping step may be at least partly performed simultaneously with the sedimentation step.
  • the trapping step can be carried out completely simultaneously at the sedimentation stage.
  • a lower bound of the trapping temperature interval may be greater than an upper bound of the overlay temperature range.
  • the trapping step makes it possible to increase a degree of filling of the microstructures by the particles by increasing the convective flow of the particles in the colloidal suspension.
  • the trapping step may preferably be performed at a trapping temperature such that a lower bound of the trapping temperature range is at least 10 ° C higher than an upper limit of the temperature range. recovery.
  • the trapping step may be performed subsequent to the sedimentation step and a lower bound of the trapping temperature range may be greater than an upper limit of the sedimentation temperature range.
  • the trapping step may preferably be performed at a trapping temperature such that a lower bound of the trapping temperature range is at least 10 ° C higher than an upper limit of the temperature range. sedimentation.
  • the method according to the invention may comprise a step of removing the colloidal suspension from the microstructured surface of the sample, in a movement mainly tangential to said microstructured surface, so as to remove an excess of particles present on the surface of the microstructured surface of the sample. sample, the removal step being carried out subsequently to the sedimentation step and / or the trapping step.
  • the step of removing the colloidal suspension may preferably be performed by laminar flow of the colloidal suspension on the surface of the sample.
  • the recovery step may be carried out from a suspension of which a dispersing phase comprises:
  • the recovery step may be carried out from a suspension of which a dispersing phase comprises:
  • the recovery step may be carried out from a suspension whose dispersant phase comprises a mixture of solvents.
  • the dispersing phase may contain a quantity of water of less than 5% by weight.
  • the term "at least partly water” can be understood as a quantity of water being greater than one part per million (ppm).
  • the sedimentation step may be carried out from a colloidal suspension in a sedimentation regime, the effects of gravitation on at least a part of the particles contained in the colloidal suspension being greater than the effects of agitation said at least a portion of the particles contained in the colloidal suspension.
  • a maximum sedimentation rate of a particle contained in the colloidal suspension can be expressed as being equal to:
  • D fm a value of a maximum Fertile diameter of this particle contained in the colloidal suspension
  • ⁇ difference between a density of the particles contained in the colloidal suspension and a density of the dispersant phase
  • p density of the dispersed phase (of the particles) at the temperature T
  • a sedimentation rate of the particles in sedimentation is such that a major part of said sedimentation particles is always contained in the dispersing phase subsequent to the implementation:
  • the majority of the sedimentation particles are always contained in the dispersing phase subsequent to the implementation of the recovery step, or the recovery and condensation steps, and is preferably at least equal to the number of microstructures in the microstructured sample.
  • a size distribution of the particles contained in the colloidal suspension may be such that a maximum Ferf diameter D fm of each particle contained in the colloidal suspension is such that:
  • T a temperature of the particles contained in the suspension corresponding to the lower limit of the sedimentation temperature interval
  • ⁇ difference between a density of the particles contained in the colloidal suspension and a density of the dispersant phase
  • p density of the dispersed phase (of the particles) at the temperature T
  • the temperature T of the particles contained in the suspension can be considered as being equal, at any moment, to the temperature of the dispersing phase.
  • a particle size distribution contained in the colloidal suspension may be such that:
  • a maximum ferri diameter D fm of each particle contained in the colloidal suspension is greater than 100 nm, preferably at 150 nm, and / or
  • a maximum Feret diameter D fm of each particle contained in the colloidal suspension is less than 100 ⁇ m, preferably greater than 50 ⁇ m.
  • each microstructure may have a minimum ferret diameter, in a plane parallel to the surface of the sample, being greater than 90 nanometers (nm) and less than 110 micrometers (microns or pm).
  • the sedimentation step may be carried out from a colloidal suspension in a Brownian ballistic regime, said sedimentation step comprising a step of modifying the composition of the colloidal suspension covering the microstructured surface of the sample, so that after this modification step, the particles contained in the colloidal suspension sediment.
  • a maximum Feret diameter of each particle contained in the colloidal suspension may be such that:
  • the step of modifying the composition of the colloidal suspension may be carried out so as to cause a flocculation of at least a part of the particles contained in the colloidal suspension.
  • the step of modifying the composition of the colloidal suspension may comprise an addition of a flocculating agent in the colloidal suspension.
  • the flocculating agent may be an inorganic salt or a polymer.
  • an inorganic salt may, among other things, be chosen from the family of metal salts, it may for example be an iron or aluminum salt.
  • the flocculating agent may be chosen from polymeric flocculants.
  • the polymeric flocculant may be chosen, for example, from the family of polyacrylamides.
  • the flocculation step initiates the sedimentation of the particles.
  • All the steps that can precede and / or succeed and / or be concurrent with the sedimentation stage can be combined with the first alternative or the second alternative of the sedimentation stage of the process according to the invention.
  • At least a portion of the steps may be implemented in a microfluidic device comprising, inter alia, a chamber arranged to receive the colloidal suspension and one of whose walls comprises at least part of the microstructured surface of the sample.
  • microfluidic device defines a device arranged to receive a maximum volume of fluid, typically less than 10-8 liters, and / or having a channel whose width and / or height is less than one millimeter.
  • a maximum volume of fluid typically less than 10-8 liters, and / or having a channel whose width and / or height is less than one millimeter.
  • all the steps of the process can be carried out in the microfluidic device.
  • a distance between the microstructured surface and an upper wall of the chamber of the microfluidic device can be adapted so that an average distance that the sedimentation particles have to travel to reach the microstructured surface is less than 3 mm.
  • the step of covering the surface of the microstructured sample with the colloidal suspension may be carried out by introducing the colloidal suspension into the chamber and by flow, by capillary effect, of the colloidal suspension in the chamber.
  • the step of covering the surface of the microstructured sample with the colloidal suspension may be carried out by introducing the colloidal suspension into the chamber and being free of flow of the colloidal suspension in the chamber.
  • the introduction of the colloidal suspension into the chamber can be carried out by injection and / or suction and / or aspiration.
  • a recoil contact angle formed between the colloidal suspension and the microstructured surface of the sample may be between 10 ° and 80 °, preferably between 20 and 70 °, more preferably between 30 and 50 °.
  • the recovery temperature range may be from 0 to 50 ° C.
  • the recovery temperature range may preferably be between 15 and 30 ° C.
  • the lower limit of the condensation temperature range may be less than 20 ° C, preferably less than 15 ° C, more preferably less than 10 ° C.
  • the sedimentation temperature range can be between
  • the sedimentation temperature range may preferably be from 15 to 30 ° C.
  • the recovery temperature range may be equal to the sedimentation temperature range.
  • the lower limit of the trapping temperature range may be greater than 25 ° C, preferably greater than 30 ° C, more preferably greater than 40 ° C.
  • a linear rate of shrinkage of the colloidal suspension may be between 0.05 and 50 cm / min.
  • the duration of implementation of the condensation step may be less than 10 min, preferably 5 min.
  • the duration of implementation of the sedimentation step may be less than 15 min, preferably 10 min.
  • the duration of implementation of the trapping step may be less than 20 min.
  • FIGS. 1 to 5 are schematic representations of profile views of a microfluidic device, comprising a microstructured surface of a substrate, illustrating steps of the method according to the invention
  • FIGURE 6 is a schematic representation of a top view of a microfluidic device, as described in EP2942111A2, illustrating the steps of filling and removing the process according to the invention
  • FIG. 7 is a graph illustrating the influence of the temperature of implementation of the condensation step through the evolution of the number of microstructures containing no air bubbles during the implementation of the condensation step as a function of the temperature of implementation of the condensation step,
  • FIG. 8 is a graph illustrating the influence of the temperature of implementation of the trapping step through the evolution of the average speed of the particles contained in the colloidal suspension as a function of the temperature of implementation of the trapping step
  • FIG. 9 is a graph illustrating the effects of the linear rate of shrinkage of the colloidal suspension and of the number of particles contained in the colloidal suspension on the defect rate of the assembly obtained,
  • FIGURE 10 is a fluorescence microscopy image of the assembly obtained from fluorescent Polystyrene particles assembled on a PolyDiMethylSiloxane substrate.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described, isolated from the other characteristics described (even if this selection is isolated within a sentence including these other characteristics), if this selection of features is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • This selection comprises at least one characteristic, preferably functional without structural details, or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art .
  • FIGURES 1 to 10 there is described an embodiment of the method for assembling particles 1 on a microstructured surface 2 of a sample 3 comprising microstructures 21 also called microcavities.
  • Sample 3 is mounted within a microfluidic device 5 as described in EP2942111A2.
  • This device 5 comprises, inter alia, a Pelletier type temperature controller 4 and a microfluidic cell forming a chamber 10 arranged to receive the colloidal suspension 6.
  • the microfluidic cell comprises, inter alia, a PDMS base (PolyDiMethylSiloxane ) of which two side walls 7 are schematized, an upper wall 11 composed of a glass plate 11 and the mirrostructured surface 2 of the sample 3.
  • PDMS base PolyDiMethylSiloxane
  • Sample 3 can be made of any type of material.
  • a step of treatment, physical and / or chemical, of the surface 2 of the sample 3 can be carried out before the implementation of the process, for example a coating of the surface with a hydrophobic compound such as a fluorinated compound by inter alia, dipping or vapor deposition or vaporization of the compound in question on the surface.
  • a product marketed by the brand DAIKIN and sold under the brand name "Optool" has been used.
  • the skilled person qualifies the product set and associated treatment method of "OPTOOL treatment”.
  • a recoil contact angle formed between the colloidal suspension 6 and the microstructured surface 2 of the sample 3 is included between 10 ° and 80 °, preferably between 20 and 70 °, more preferably between 30 and 50 °.
  • an advancing contact angle formed between the colloidal suspension 6 and the microstructured surface 2 of the sample 3 is between 70 and 110 °.
  • sample 3 is in PDMS.
  • a wall 7 of the microfluidic device 5 also comprises a capillary 8 arranged so that a needle 13 of a syringe, comprising the colloidal suspension 6 to be injected, is inserted therein.
  • An opposite wall 7 has a vent 14.
  • the capillary 8 must have an inside diameter smaller than the outside diameter of the needle 13.
  • the different cell variants that can be used during the implementation of the process have a volume of between 50 ⁇ and 5 ml and an associated surface of between 100 mm 2 and 5 cm 2 .
  • the colloidal suspension 6 used during the implementation of the process is in the sedimentation regime, that is to say that the effects of gravitation on at least a part of the particles 1 contained in the colloidal suspension 6 are greater than the effects thermal agitation on said at least part of the particles 1 contained in the colloidal suspension 6.
  • the colloidal suspension 6 used during the implementation of the process is a suspension of particles 1 of Polystyrene (PS) with a maximum ferret diameter, or exo-diameter, of between 9 and 11 ⁇ m and the concentration of particles 1 is always such that the number of particles 1 is greater than the number of microstructures 21.
  • the dispersing phase is water in which is diluted to 1/10 000 a surfactant whose trade name is Triton X-100.
  • Triton X-100 is a solution containing polyoxyethylene (C 8 H 7 C 6 H 4 (OC 2 H 4 ) 9 -10 OH) at a concentration of 10% by volume. When no precision is provided, the total volume of colloidal suspension 6 injected into the chamber 10 is 775 ⁇ and the corresponding concentration of particles 1 is 10 6 particles 1 per milliliter.
  • a size distribution of the particles 1 contained in the colloidal suspension 6 is such that a maximum diameter of Feret D fm of each particle 1 contained in the colloidal suspension 6 is such that:
  • T a temperature of the particles contained in the suspension corresponding to the lower limit of the sedimentation temperature interval
  • ⁇ difference between a density of the particles contained in the colloidal suspension and a density of the dispersant phase
  • p density of the dispersed phase at the temperature T
  • a maximum ferri diameter D fm of each particle contained in the colloidal suspension is greater than 100 nm, preferably at 150 nm, and / or
  • a maximum Feret diameter D fm of each particle contained in the colloidal suspension is less than 100 ⁇ m, preferably greater than 50 ⁇ m.
  • particles 1 that can be used to implement a colloidal suspension 6 in the sedimentation regime, it is possible to use PS particles having a size of between 3 ⁇ m and 50 ⁇ m, particles silicon dioxide (SiO 2 ) with a size of between 550 nm and 8 ⁇ m or gold particles with a size of between 150 nm and 2.3 ⁇ m.
  • PS particles having a size of between 3 ⁇ m and 50 ⁇ m, particles silicon dioxide (SiO 2 ) with a size of between 550 nm and 8 ⁇ m or gold particles with a size of between 150 nm and 2.3 ⁇ m.
  • the calculation of the lower threshold value of the maximum ferret diameter of the particles 1 of the colloidal suspension 6, the value of the dynamic viscosity of the dispersant phase can be derived from tables known to those skilled in the art. When it is measured, it can preferably be measured by a capillary viscometer or by a rotation or falling ball viscometer.
  • the sample 3 has a density of microstructures 21 of 75000 microstructures 21 per square centimeter. Each microstructure 21 is arranged to receive a single particle 1. Each microstructure 21 has a minimum ferret diameter, or meso-diameter, greater than a given threshold value and each particle 1 contained in the colloidal suspension 6 has a maximum maximum ferret diameter. at this given threshold value, so that the particles 1 can freely enter the microstructures 21 under the effect of gravitation.
  • the microstructures 21 have a minimum ferret diameter, in a plane parallel to the surface 2 of the sample 3, being greater than 90 nanometers (nm) and less than 110 micrometers (microns or pm). The minimum Feret diameter of a microstructure is about 11 ⁇ m.
  • the height of the chamber 10, that is to say the distance between the microstructured surface 2 and the glass plate 11, is 1 mm.
  • the method according to the invention comprises a recovery step A, illustrated in FIG. 1, of the surface 2 of the sample 3 by the colloidal suspension 6, the covering step A is carried out at ambient temperature between 19 and 23 ° C. No limitation of temperature is required during the implementation of the recovery step A.
  • This recovery step A can be carried out in a temperature range between 0 and 50 ° C, preferably between 10 and 40 ° C, more preferably between 15 and 30 ° C.
  • This covering step A is carried out by introducing the colloidal suspension 6 into the chamber 10 and by laminar flow, by capillary effect, of the colloidal suspension 6 on the surface 2 of the sample 3 in a mainly tangential movement extending in a direction connecting the two walls 7. During the step of covering A, air bubbles 9 are trapped inside the microstructures 21 which prevents particles 1 from entering.
  • the bubbles 9 trapped inside the microstructures 21 are air bubbles because the covering step is performed in ambient air.
  • the recovery step A is followed by the condensation step B, illustrated in FIG. 2, carried out at a temperature of 5 ° C. being applied for a duration of 2 min.
  • This step is intended to release the microstructures 21 by expelling the air bubbles out of the microstructures 21.
  • the condensation step makes it possible to drive the air bubbles out of the microstructures by:
  • This step is carried out at ambient temperature of between about 19 ° C. and 23 ° C. for a duration of about seven minutes for particles having a maximum ferret diameter of between 9 and 11 ⁇ .
  • This step may equally well be carried out over a temperature range of between 0 and 50 ° C., preferably between 10 and 40 ° C., more preferably between 15 and 30 ° C.
  • a majority of the microstructures 21 comprise particles 1 having sedimented within the microstructures 21.
  • a major from the particles 1 freely enters a microstructure 21 to a surface forming a bottom of the microstructure 21.
  • the condensation step B is carried out completely simultaneously at the sedimentation stage C.
  • the sedimentation of the particles 1 starts as soon as the colloidal suspension 6 is injected into the chamber 10 of the cell.
  • the sedimentation stage C is therefore partly implemented concomitantly with the condensation step B on a sedimentation temperature range from 5 ° C and increase over time to room temperature of 19-23 ° C.
  • the duration of implementation of the sedimentation step C is a function of the height of the cell, the size and the type of particles 1.
  • the sedimentation rate is calculated at from the equation 2.
  • the choice of the particles 1 must be such that the sedimentation rate of the particles 1 during sedimentation is such that a major part of said particles 1 during sedimentation is always contained in the colloidal suspension subsequently to the implementation of recovery step A.
  • the sedimentation step C is followed by a step of convective trapping D of the particles 1 in the microstructures 21, illustrated in FIG. 4, being carried out at a temperature of 50 ° C. for a duration of 5 min.
  • This step has the effect of increasing the convection phenomena so that the particles 1 resting on the surface 2 of the sample 3 near unoccupied microstructures 21 move above the unoccupied microstructures 21 and sediment to the interior of these microstructures 21 unoccupied.
  • the trapping step D makes it possible to increase the degree of filling of the microstructures 21 by the particles 1.
  • all the particles 1 contained in the colloidal suspension 6 have not sedimented when the trapping step D is initiated.
  • at least part of the convective trapping stage D is carried out concomitantly with the sedimentation stage C.
  • the whole of the convective trapping step D can be carried out concomitantly with the step of sedimentation C.
  • the duration of implementation of the convective trapping step D is a function of the initial concentration of particles 1 in the colloidal suspension 6 and the density of microstructures 21 on the surface 2 of the sample 3.
  • the duration of the convective trapping step D to be applied can be determined experimentally.
  • the withdrawal step E, illustrated in FIG. 5, of the colloidal suspension of the surface 2 of the sample 3 is implemented following the convective trapping step D.
  • the withdrawal step E does not require not to impose a particular temperature on the cell.
  • the shrinkage step E can be carried out preferably at room temperature of between 19 and 23 ° C.
  • the colloidal suspension 6 is removed from the chamber 10 by suction of the colloidal suspension 6 by the syringe (not shown) through the needle 13 (not shown) introduced into the capillary 8.
  • the withdrawal step E consists of in the laminar flow, induced by suction, of the colloidal suspension 6 on the surface 2 of the sample 3 in a mainly tangential movement extending in a direction connecting the two walls 7. This tangential movement achieved at a controlled speed makes it possible to removing the excess of particles 1 which have sedimented on the surface 2 outside the microstructures 21 while not removing the particles 1 housed in the microstructures 21.
  • the shrinkage rate is about 1 ml / min depending on the embodiment.
  • the withdrawal rate can vary between 10 ⁇ / min and 10 ml / min depending on the geometry of the cell.
  • the withdrawal rate is calculated so that the linear rate of shrinkage of the colloidal suspension 6 is of the order of 0.05 cm / min to 50 cm / min. According to the embodiment, the withdrawal time of the colloidal suspension 6 is about one minute.
  • the withdrawal rate is adjusted according to (i) the angle of recession formed between the colloidal suspension 6 and the surface 2 and (ii) the dynamic viscosity of the colloidal suspension 6.
  • the withdrawal step E directly influences the fill rate of microstructures 21 by particles 1. A withdrawal that is too rapid or occurs suddenly will cause a significant drop in the filling rate of microstructures 21.
  • the microfluidic cell comprises a prechamber 12 and a chamber 10.
  • the chamber 10 is arranged to receive the colloidal suspension 6 and the microstructured surface 2 of the sample 3 constitutes one of the walls of the bedroom 10.
  • the chamber 10 is delimited by the walls 7, the walls 71, the surface 2 of the sample 3 and the glass slide 11.
  • the chamber 10 comprises the vent 14 and the capillary 8. It is also represented by FIG. needle 13 of a syringe (not shown) inserted into the capillary 8.
  • the prechamber 12 is contiguous and opens into the chamber 10.
  • the colloidal suspension 6 is injected into the prechamber 12.
  • the colloidal suspension 6 then progresses in the chamber 10 by wetting the walls 71 (wall 7 also syringe side), the sample 3 and the glass plate 11, forming a progressing front towards the wall 7 comprising the vent 14.
  • the injection of the colloidal suspension 6 in the antechamber 12 is stopped so that the colloidal suspension 6 does not come into contact with the wall 7 comprising the vent 14.
  • the colloidal suspension 6 is sucked into the syringe according to the state pe withdrawal E described previously.
  • Curve I illustrates the implementation of condensation step A at a temperature of 25 ° C.
  • curve II at a temperature of 18 ° C.
  • curve III at a temperature of 12 ° C.
  • curve IV at a temperature of temperature of 6 ° C.
  • the condensation step B can therefore be performed over a temperature range of which an upper limit is less than 25 ° C.
  • an upper limit of the condensation temperature range is lower than the lower limit of the sedimentation temperature range.
  • an upper limit of the condensation temperature range is at least 10 degrees Celsius (°) lower than the lower limit of the sedimentation temperature range.
  • a lower bound of the interval of condensation temperature is below 20 ° C, preferably below 15 ° C, more preferably below 10 ° C.
  • the operating temperature of the condensation step B is preferably adjusted so that the duration of implementation of the condensation step B is less than 10 min, preferably 5 min.
  • the ordinate axis represents the average speed of the particles 1 in micrometers per minute and the abscissa axis the temperature in degrees Celsius.
  • An increase in the temperature of the colloidal suspension 6 makes it possible to increase the speed of the particles 1. It is observed that for temperatures below 30.degree. Particle diameter 1 has little influence on the average speed of the particles 1. In addition, for equivalent diameters, the particles 1 of different materials have equivalent average speeds. On the other hand, for temperatures higher than 30 ° C. and for the same type of particle 1, the average speed of the particles 1 is all the higher as the diameter of the particles 1 is high.
  • an increase in temperature makes it possible to reduce the time required for a particle 1, having sedimented on the surface 2 of the sample 3 near an unoccupied microstructure 21, to move on the surface 2 of the sample 3 to find itself in line with said unoccupied microstructure 21 and to enter there under the effect of gravitation.
  • the convective trapping step D makes it possible to increase the degree of filling of the microstructures 21 by the particles 1 by increasing the convection flow of the particles 21.
  • the trapping step D can therefore be implemented in an interval of which a lower limit is greater than 25 ° C.
  • a lower bound of the trapping temperature range is greater than an upper bound of the overlay temperature range.
  • a lower bound of the trapping temperature range is greater than an upper limit of the sedimentation temperature range.
  • a lower bound of the trapping temperature range is at least 10 ° C higher than an upper bound of the overlay temperature range.
  • a lower bound of the trapping temperature range is at least 10 ° C higher than an upper limit of the sedimentation temperature range.
  • the lower limit of the trapping temperature range is greater than 25 ° C, preferably greater than 30 ° C, more preferably greater than 40 ° C.
  • the temperature of implementation of the trapping step D will be adjusted so that the duration of implementation of the trapping step D is less than 10 min.
  • the ordinate axis represents the percent defect rate, that is to say the number of microstructures 21 not occupied by a particle 1 after implementation of the method.
  • the upper abscissa axis represents the total time of withdrawal of the colloidal suspension 6 in minutes and the lower abscissa represents the linear scanning speed of the colloidal suspension 6 applied during the withdrawal step E in milliliters per minute .
  • the curve I corresponds to a number of particles 1 contained in the colloidal suspension 6 such that the ratio between the number of particles 1 and the number of microstructures 21 is between 0.5 and 1
  • the curve II such that the ratio between the number of particles 1 and the number of microstructures 21 is between 1 and 2
  • the curve III such that the ratio between the number of particles 1 and the number of microstructures 21 is between 2.5 and 5.
  • the colloidal suspensions 6 whose number of particles 1 they contain is equal to or less than the number of microstructures 21, have a high percentage of defects being equal at 34% for high withdrawal rates (10ml / min) and at 18% for low withdrawal rates (0.01ml / min).
  • the colloidal suspensions 6 whose number of particles 1 they contain is equal to or is twice the number of microstructures 21, have a percentage of moderate defects being equal to 12% for high shrinkage speeds (10 ml / min) and 3% for low withdrawal rates (0.01ml / min).
  • the colloidal suspensions 6 whose number of particles 1 they contain is equal to at least two and a half times the number of microstructures 21, the number of defects is of the order of 1% regardless of the speed of withdrawal of the colloidal suspension 6.
  • FIG. 10 there is illustrated the result of the implementation of the method according to the embodiment applied to 10 ⁇ m PS fluorescent particles.
  • the fluorescence microscopy image shown in FIG. 10 illustrates the efficiency of the method according to the invention.
  • the particles 1 of PS are visible inside the microstructures 21.
  • the assembly obtained has a very low level of defect.
  • the assembly is obtained in less than 30 minutes.
  • the method is suitable for large sample surfaces 3, such as square centimeter or square meter.
  • the total working time can be further reduced, as required, for example by increasing the number of particles 1 contained in the colloidal suspension 6.
  • a depth of a microstructure 21 is arranged to accommodate a plurality of stacked particles 1, and / or
  • a microstructure 21 is arranged to receive several particles 1, and / or a microstructure 21 has any shape, and / or
  • the chamber 10 does not comprise a capillary 8, in this case the needle 13 is inserted through the wall 7 into the interior of the chamber 10, and / or the covering step A of the surface 2 of the microstructured sample 3 by the colloidal suspension 6 can be carried out by introducing the colloidal suspension 6 into the chamber 10 and be free of flow of the colloidal suspension 6 in the chamber 10, and / or
  • the condensation step B is carried out only partly simultaneously with the sedimentation step C, and / or
  • part of the condensation step B can be carried out concomitantly with a part of the sedimentation stage C, and / or
  • the dispersant phase of the colloidal suspension contains a mixture of one or more organic solvents with water, and / or
  • the dispersant phase of the colloidal suspension contains a mixture of one or more organic solvents and an absence of water, and / or
  • a quantity of water contained in the dispersing phase of the colloidal suspension 6 is greater than one part per million (ppm), and / or
  • the bubbles 9 trapped inside the microstructures 21 during the covering step A are not necessarily air bubbles but are more generally gas bubbles, and / or
  • the bubbles 9 trapped inside the microstructures 21 during the recovery step A are bubbles consisting of the gas surrounding the sample during the implementation of the recovery step, and / or the step sedimentation C, made from a colloidal suspension 6 in the sedimentation regime, is substitutable by a colloidal suspension 6 in Brownian ballistic regime, in this case:
  • Said sedimentation step C comprises a step of modifying the composition of the colloidal suspension 6 covering the microstructured surface 2 of the sample 3, so that, after this modification step, the particles 1 contained in the colloidal suspension
  • a maximum value of a maximum Feret diameter of each particle 1 contained in the colloidal suspension 6 is such that: The step of modifying the composition of the colloidal suspension 6 is carried out so as to cause a flocculation of at least a portion of the particles 1 contained in the colloidal suspension 6, and / or
  • the step of modifying the colloidal suspension composition 6 comprises an addition of a flocculating agent in the colloidal suspension 6, and / or
  • the flocculating agent is an inorganic salt or a polymer, and / or
  • the inorganic salt is chosen from the family of metal salts, it may for example be an iron or aluminum salt, and / or
  • the flocculating agent is chosen from polymeric flocculants,
  • the polymeric flocculant is chosen, for example, from the family of polyacrylamides, and / or

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé d'assemblage de particules sur une surface microstructurée d'un échantillon. Le procédé comprend une étape de recouvrement de la surface de l'échantillon par une suspension colloïdale à un intervalle de température dit de recouvrement. Le procédé est caractérisé en ce qu'il comprend une étape de sédimentation de particules contenues dans la suspension colloïdale de sorte que des particules sédimentent en direction de la surface de l'échantillon, l'étape de sédimentation étant réalisée à un intervalle de température dit de sédimentation.

Description

« Procédé d'assemblage de particules gravitationnel »
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine de l'assemblage de particules sur une surface d'un échantillon.
La présente invention concerne en particulier l'assemblage de particules contenues dans une suspension colloïdale sur la surface d'un substrat microstructuré.
Etat de la technique antérieure
On connaît dans l'état de la technique antérieure des techniques d'assemblage de particules sur la surface microstructurée d'un échantillon par évaporation d'une suspension colloïdale qui est en contact avec ladite surface microstructurée de l'échantillon et dans laquelle des particules sont contenues. L'évaporation peut être contrôlée, par la maîtrise de la température et de l'hygrométrie, ou naturelle.
On connaît également dans l'état de la technique antérieure des techniques d'assemblage de particules sur une surface microstructurée d'un échantillon par retrait contrôlé de l'échantillon de la suspension colloïdale contenant les particules et dans laquelle l'échantillon est immergé.
Ces techniques nécessitent que la vitesse de retrait de la suspension colloïdale ou la vitesse d'évaporation de la suspension colloïdale ou la vitesse de retrait de l'échantillon et l'angle que forme l'échantillon avec la surface de la suspension colloïdale soient précisément contrôlés.
Ces techniques, ainsi que leurs variantes, sont basées sur les actions conjuguées de l'effet Marangoni et des forces capillaires s'exerçant sur les particules contenues dans la suspension colloïdale. L'effet Marangoni décrit le phénomène de surconcentration de particules dans la suspension colloïdale à proximité de l'interface triple échantillon/suspension colloïdale/air. Durant le mouvement de la suspension colloïdale relativement à l'échantillon, les forces capillaires piègent les particules dans les microstructures.
Les phénomènes physiques qui régissent la mise en œuvre de l'ensemble des procédés proposés dans l'état de la technique, imposent des vitesses d'assemblage considérablement faibles. Les vitesses d'assemblage des procédés de l'état de la technique les plus élevées sont de l'ordre du millimètre carré par minute. Ces faibles vitesses d'assemblage constituent un verrou technologique s'opposant au transfert industriel de la technologie d'assemblage de particules. En outre, ces faibles vitesses d'assemblage nécessitent des temps d'assemblage extrêmement long, qui sont proportionnels à la taille de la surface de l'échantillon microstructuré.
Un but de l'invention est notamment de proposer un procédé :
-dont la vitesse d'assemblage ne dépend pas de la surface de l'échantillon microstructuré, et/ou
-dont la vitesse d'assemblage est rapide et compatible avec les contraintes industrielles, c'est-à-dire présentant une durée totale de mise en œuvre, d'un assemblage de 106 particules sur une surface d'échantillon supérieure à 1 cm2, inférieure à trente minutes, et/ou
-permettant de réaliser un assemblage d'une particule par microstructure.
Exposé de l'invention
A cet effet, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un procédé d'assemblage de particules sur une surface microstructurée d'un échantillon, ledit procédé comprenant :
-une étape de recouvrement de la surface de l'échantillon par une suspension colloïdale, l'étape de recouvrement étant réalisée à un intervalle de température dit de recouvrement, puis
-une étape de sédimentation de particules contenues dans la suspension colloïdale de sorte que des particules sédimentent en direction de la surface de l'échantillon, l'étape de sédimentation étant réalisée à un intervalle de température dit de sédimentation.
Le procédé selon l'invention peut comprendre une étape de condensation mise en œuvre :
- subséquemment à l'étape de recouvrement, et
- précédemment et/ou concomitamment à l'étape de sédimentation, l'étape de condensation étant réalisée à un intervalle de température dit de condensation, une borne supérieure de l'intervalle de température de condensation étant inférieure à une borne inférieure de l'intervalle de température de recouvrement. Le terme « surface microstructurée », connu de l'homme du métier, désigne une surface présentant des microstructures agencées selon un ou des motifs prédéterminés.
Une microstructure s'étend au moins en partie selon une direction s'étendant principalement depuis une face de l'échantillon comprenant la surface microstructurée vers l'intérieur de l'échantillon.
Une microstructure peut être agencée pour recevoir une ou plusieurs particules.
Une microstructure peut, de préférence, être agencée pour recevoir une seule particule.
Une microstructure peut présenter une forme quelconque.
Une majeure partie des particules contenues dans la suspension colloïdale peuvent être, de préférence, des particules en sédimentation.
Dans la présente demande, le terme « une majeure partie de particules » peut être entendu comme une partie supérieure à 50% du nombre de ces particules.
Dans le cas de la présente demande, chaque microstructure peut présenter un diamètre de Féret minimal supérieur à une valeur seuil donnée et chaque particule contenue dans la suspension colloïdale peut présenter un diamètre de Féret maximal inférieur à cette valeur seuil donnée, de sorte que les particules peuvent pénétrer librement dans les microstructures sous l'effet de la gravitation.
L'étape de recouvrement peut, de préférence, être réalisée par écoulement laminaire de la suspension colloïdale sur la surface de l'échantillon selon une direction principalement parallèle à ladite surface de l'échantillon.
Dans le cas de la présente demande, un intervalle peut se limiter à une seule et unique valeur. Dans ce cas, une borne inférieure de cet intervalle est égale à une borne supérieure de cet intervalle qui est égale à cette unique valeur.
Durant l'étape de sédimentation, de préférence au moins une partie des particules en sédimentation pénètrent au moins en partie dans les microstructures. Durant l'étape de sédimentation, de préférence au moins une partie des particules en sédimentation pénètrent entièrement dans les microstructures.
Une particule peut pénétrer librement dans une microstructure jusqu'à une surface formant un fond de la microstructure.
Un nombre de particules contenues dans la suspension colloïdale peut être, de préférence, au moins égal au nombre de microstructures que comporte l'échantillon microstructuré.
Dans la présente demande, une borne supérieure, ou respectivement une borne inférieure, d'un intervalle (par exemple un intervalle de température) peut être inférieure ou égale, respectivement supérieure ou égale, à une borne inférieure, ou respectivement une borne supérieure, d'un intervalle (par exemple respectivement de température) adjacent.
Des bulles de gaz peuvent être emprisonnées dans les microstructures lors de la mise en œuvre de l'étape de recouvrement. Les bulles de gaz sont constituées du gaz environnant l'échantillon lors de la mise en œuvre de l'étape de recouvrement.
L'étape de condensation est agencée pour chasser des bulles de gaz contenues dans tout ou partie des microstructures par :
-dissolution des bulles de gaz dans l'eau, et/ou
-condensation de l'eau contenue sous forme gazeuse dans les bulles de gaz.
Le gaz environnant l'échantillon peut être l'air ambiant.
L'étape de condensation permet de chasser les bulles d'air des microstructures par :
-dissolution des bulles dans l'eau, et
-condensation de l'eau gazeuse des bulles d'air.
L'étape de condensation peut être mise en œuvre précédemment à l'étape de sédimentation et une borne inférieure de l'intervalle de température de sédimentation peut être supérieure à une borne supérieure de l'intervalle de température de condensation.
L'étape de condensation peut, de préférence, être réalisée à une température de condensation telle qu'une borne supérieure de l'intervalle de température de condensation est inférieure d'au moins 10 degrés Celsius (°) à borne inférieure de l'intervalle de température de sédimentation. L'étape de condensation peut être au moins en partie réalisée simultanément à l'étape de sédimentation.
L'étape de condensation peut être réalisée en totalité simultanément à l'étape de sédimentation.
Uniquement une partie de l'étape de condensation peut être réalisée concomitamment à une partie de l'étape de sédimentation.
Le procédé selon l'invention peut comprendre une étape de piégeage de particules dans les microstructures de l'échantillon, l'étape de piégeage étant réalisée :
-concomitamment ou subséquemment à l'étape de sédimentation, et -à un intervalle de température dit de piégeage.
L'étape de piégeage peut être au moins en partie réalisée simultanément à l'étape de sédimentation.
L'étape de piégeage peut être réalisée en totalité simultanément à l'étape de sédimentation.
Uniquement une partie de l'étape de piégeage peut être réalisée concomitamment à une partie de l'étape de sédimentation. Une borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage peut être supérieure à une borne supérieure de l'intervalle de température de recouvrement.
L'étape de piégeage permet d'augmenter un taux de remplissage des microstructures par les particules en augmentant le flux de convection des particules dans la suspension colloïdale.
L'étape de piégeage peut, de préférence, être réalisée à une température de piégeage telle qu'une borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage est supérieure d'au moins 10°C à une borne supérieure de l'intervalle de température de recouvrement.
L'étape de piégeage peut être réalisée subséquemment à l'étape de sédimentation et une borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage peut être supérieure à une borne supérieure de l'intervalle de température de sédimentation. L'étape de piégeage peut, de préférence, être réalisée à une température de piégeage telle qu'une borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage est supérieure d'au moins 10°C à une borne supérieure de l'intervalle de température de sédimentation.
Le procédé selon l'invention peut comprendre une étape de retrait de la suspension colloïdale de la surface microstructurée de l'échantillon, selon un mouvement principalement tangentiel relativement à ladite surface microstructurée, de sorte à retirer un excédent de particules présentes à la surface de l'échantillon, l'étape de retrait étant mise en œuvre subséquemment à l'étape de sédimentation et/ou à l'étape de piégeage.
L'étape de retrait de la suspension colloïdale peut de préférence être réalisée par écoulement laminaire de la suspension colloïdale sur la surface de l'échantillon.
L'étape de recouvrement peut être réalisée à partir d'une suspension dont une phase dispersante comprend :
-au moins en partie de l'eau.
L'étape de recouvrement peut être réalisée à partir d'une suspension dont une phase dispersante comprend :
-au moins en partie de l'eau, et
-un surfactant.
L'étape de recouvrement peut être réalisée à partir d'une suspension dont la phase dispersante comprend un mélange de solvants.
La phase dispersante peut contenir une quantité d'eau inférieure à 5% en masse.
Dans la présente demande, le terme « au moins en partie de l'eau » peut être entendu comme une quantité d'eau étant supérieure à une partie par million (ppm).
Selon une première alternative, l'étape de sédimentation peut être réalisée à partir d'une suspension colloïdale en régime de sédimentation, les effets de la gravitation sur au moins une partie des particules contenues dans la suspension colloïdale étant supérieurs aux effets de l'agitation thermiques sur ladite au moins une partie des particules contenues dans la suspension colloïdale.
Une vitesse de sédimentation maximale d'une particule contenue dans la suspension colloïdale peut être exprimée comme étant égale à :
2&pgD2 fm
9μ (équation 2), avec
Dfm : une valeur d'un diamètre de Féret maximal de cette particule contenue dans la suspension colloïdale,
μ : viscosité dynamique de la phase dispersante à la température T,
Δρ : différence entre une masse volumique des particules contenues dans la suspension colloïdale et une masse volumique de la phase dispersante, p : masse volumique de la phase dispersée (des particules) à la température T,
g : la constante de pesanteur.
Selon la première alternative, une vitesse de sédimentation des particules en sédimentation est telle qu'une majeure partie desdites particules en sédimentation est toujours contenue dans la phase dispersante subséquemment à la mise en œuvre :
-de l'étape de recouvrement, ou
-des étapes de recouvrement et de condensation.
Selon la première alternative, la majeure partie des particules en sédimentation est toujours contenue dans la phase dispersante subséquemment à la mise en œuvre de l'étape de recouvrement, ou des étapes de recouvrement et de condensation, et est, de préférence, au moins égale au nombre de microstructures que comporte l'échantillon microstructuré.
Selon la première alternative, une distribution en taille des particules contenues dans la suspension colloïdale peut être telle qu'un diamètre de Féret maximal Dfm de chaque particule contenue dans la suspension colloïdale est tel que :
kB : la constante de Boltzmann, T : une température des particules contenues dans la suspension correspondant à la borne inférieure de l'intervalle de température de sédimentation,
μ : viscosité dynamique de la phase dispersante à la température T,
Δρ : différence entre une masse volumique des particules contenues dans la suspension colloïdale et une masse volumique de la phase dispersante, p : masse volumique de la phase dispersée (des particules) à la température T,
g : la constante de pesanteur.
La température T des particules contenues dans la suspension peut être considérée comme étant égale, à tout instant, à la température de la phase dispersante.
Selon la première alternative, une distribution en taille des particules contenues dans la suspension colloïdale peut être telle que :
-un diamètre de Féret maximal Dfm de chaque particule contenue dans la suspension colloïdale est supérieur à 100 nm, de préférence à 150 nm, et/ou
-un diamètre de Féret maximal Dfm de chaque particule contenue dans la suspension colloïdale est inférieur à 100 pm, de préférence supérieur à 50 pm.
Selon la première alternative, chaque microstructure peut présenter un diamètre de Féret minimal, dans un plan parallèle à la surface de l'échantillon, étant supérieur à 90 nanomètres (nm) et inférieur à 110 micromètres (microns ou pm).
Selon une deuxième alternative, l'étape de sédimentation peut être réalisée à partir d'une suspension colloïdale en régime balistique brownien, ladite étape de sédimentation comprenant une étape de modification de la composition de la suspension colloïdale recouvrant la surface microstructurée de l'échantillon, de sorte, qu'après cette étape de modification, les particules contenues dans la suspension colloïdale sédimentent.
Selon la deuxième alternative, un diamètre de Féret maximal de chaque particule contenue dans la suspension colloïdale peut être tel que : Selon la deuxième alternative, l'étape de modification de la composition de la suspension colloïdale peut être réalisée de manière à engendrer une floculation d'au moins une partie des particules contenues dans la suspension colloïdale.
Selon la deuxième alternative, l'étape de modification de la composition de la suspension colloïdale peut comporter un ajout d'un agent floculant dans la suspension colloïdale.
Selon la deuxième alternative, l'agent floculant peut être un sel inorganique ou un polymère.
Selon le deuxième mode de réalisation, un sel inorganique peut, entre autre, être choisi dans la famille des sels métalliques, il peut par exemple s'agir d'un sel de fer ou d'aluminium.
Selon le deuxième mode de réalisation, de manière préférée, l'agent floculant peut être choisi parmi des floculants polymériques. Le floculant polymérique peut être choisi, par exemple, dans la famille des poly- acrylamides.
Selon le deuxième mode de réalisation, l'étape de floculation initie la sédimentation des particules.
Toutes les étapes pouvant précéder et/ou succéder et/ou être concomitantes à l'étape de sédimentation peuvent être combinées à la première alternative ou à la deuxième alternative de l'étape de sédimentation du procédé selon l'invention.
Au moins une partie des étapes peuvent être mises en œuvre dans un dispositif micro-fluidique comprenant, entre autre, une chambre agencée pour recevoir la suspension colloïdale et dont une des parois comprend au moins en partie la surface microstructurée de l'échantillon.
Le terme dispositif micro-fluidique, bien connu de l'homme du métier, définit un dispositif agencé pour recevoir un volume maximum de fluide, typiquement inférieur à 10"8 litres, et/ou ayant un canal dont une largeur et/ou une hauteur est inférieure à un millimètre. Lorsqu'au moins une partie des étapes sont mises en œuvre dans un dispositif micro-fluidique, l'au moins une partie de la surface microstructurée peut être orientée vers le haut et comprise dans une paroi inférieure de la chambre dudit dispositif micro-fluidique de sorte que les particules sédimentent en direction de ladite surface microstructurée.
De préférence, la totalité des étapes du procédé peuvent être réalisées dans le dispositif micro-fluidique.
Une distance entre la surface microstructurée et une paroi supérieure de la chambre du dispositif micro-fluidique peut être adaptée de sorte qu'une distance moyenne que les particules en sédimentation ont à parcourir pour atteindre la surface microstructurée soit inférieure à 3 mm.
L'étape de recouvrement de la surface de l'échantillon microstructuré par la suspension colloïdale peut être réalisée par introduction de la suspension colloïdale dans la chambre et par écoulement, par effet de capillarité, de la suspension colloïdale dans la chambre.
L'étape de recouvrement de la surface de l'échantillon microstructuré par la suspension colloïdale peut être réalisée par introduction de la suspension colloïdale dans la chambre et être dépourvue d'écoulement de la suspension colloïdale dans la chambre.
L'introduction de la suspension colloïdale dans la chambre peut être réalisée par injection et/ou succion et/ou aspiration.
Lors de l'étape de retrait de la suspension colloïdale, un angle de contact de recul formé entre la suspension colloïdale et la surface microstructurée de l'échantillon peut être compris entre et 10° et 80°, de préférence entre 20 et 70°, de préférence encore entre 30 et 50°.
L'intervalle de température de recouvrement peut être compris entre 0 et 50°C.
L'intervalle de température de recouvrement peut, de préférence, être compris entre 15 et 30°C. La borne inférieure de l'intervalle de température de condensation peut être inférieure à 20°C, de préférence inférieure à 15°C, de préférence encore inférieure à 10°C. L'intervalle de température de sédimentation peut être compris entre
0 et50°C.
L'intervalle de température de sédimentation peut, de préférence, être compris entre 15 et 30°C. L'intervalle de température de recouvrement peut être égal à l'intervalle de température de sédimentation.
La borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage peut être supérieure à 25°C, de préférence supérieure à 30°C, de préférence encore supérieure à 40°C.
Une vitesse linéaire de retrait de la suspension colloïdale peut être comprise entre 0,05 et 50 cm/min. De préférence, la durée de mise en œuvre de l'étape de condensation peut être inférieure à 10 min, de préférence à 5 min.
De préférence, la durée de mise en œuvre de l'étape de sédimentation peut être inférieure à 15 min, de préférence à 10 min.
De préférence, la durée de mise en œuvre de l'étape de piégeage peut être inférieure à 20 min.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
les FIGURE 1 à 5 sont des représentations schématiques de vues de profil d'un dispositif micro-fluidique, comprenant une surface microstructurée d'un substrat, illustrant des étapes du procédé selon l'invention, la FIGURE 6 est une représentation schématique d'une vue de dessus d'un dispositif micro-fluidique, tel que décrit dans le document EP2942111A2, illustrant les étapes de remplissage et de retrait du procédé selon l'invention,
- la FIGURE 7 est un graphique illustrant l'influence de la température de mise en œuvre de l'étape de condensation à travers l'évolution du nombre de microstructures ne contenant pas de bulles d'air au cours de la mise en œuvre de l'étape de condensation en fonction de la température de mise en œuvre de l'étape de condensation,
- la FIGURE 8 est un graphique illustrant l'influence de la température de mise en œuvre de l'étape de piégeage à travers l'évolution de la vitesse moyenne des particules contenues dans la suspension colloïdale en fonction de la température de mise en œuvre de l'étape de piégeage,
- la FIGURE 9 est un graphique illustrant les effets de la vitesse linéaire de retrait de la suspension colloïdale et du nombre de particules contenues dans la suspension colloïdale sur le taux de défauts de l'assemblage obtenu,
la FIGURE 10 est une image de microscopie de fluorescence de l'assemblage obtenu à partir de particules de Polystyrène fluorescentes assemblées sur un substrat en PolyDiMéthylSiloxane.
Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. En référence aux FIGURES 1 à 10, il est décrit un mode de réalisation du procédé d'assemblage de particules 1 sur une surface microstructurée 2 d'un échantillon 3 comportant des microstructures 21 aussi appelées microcavités. L'échantillon 3 est monté au sein d'un dispositif micro- fluidique 5 tel que décrit dans le document EP2942111A2. Ce dispositif 5 comprend, entre autre, un contrôleur de température 4 de type Pelletier et une cellule micro-fluidique formant une chambre 10 agencée pour recevoir la suspension colloïdale 6. La cellule micro-fluidique comporte, entre autre, une base en PDMS (PolyDiMéthylSiloxane) dont deux parois latérales 7 sont schématisées, une paroi supérieure 11 composée d'une lame de verre 11 et la surface 2 mircrostructurée de l'échantillon 3.
L'échantillon 3 peut être réalisé en tout type de matériau. Une étape de traitement, physique et/ou chimique, de la surface 2 de l'échantillon 3 peut être réalisée avant la mise en œuvre du procédé, par exemple un revêtement de la surface par un composé hydrophobe tel qu'un composé fluoré par, entres autres, trempage ou déposition en phase vapeur ou vaporisation du composé en question sur la surface. Dans le cas présent, il a été utilisé un produit commercialisé par la marque DAIKIN et vendu sous le nom de marque « Optool ». L'homme du métier qualifie l'ensemble produit et méthode de traitement associée de « traitement OPTOOL ». Le cas échéant, ce traitement sera mise en œuvre pour que lors de l'étape de retrait E de la suspension colloïdale 6, un angle de contact de recul formé entre la suspension colloïdale 6 et la surface microstructurée 2 de l'échantillon 3 soit compris entre et 10° et 80°, de préférence entre 20 et 70°, de préférence encore entre 30 et 50°.
Selon le mode de réalisation, lors de la mise en œuvre de l'étape de recouvrement A, un angle de contact d'avancée formé entre la suspension colloïdale 6 et la surface microstructurée 2 de l'échantillon 3 est compris entre et 70 et 110°.
Selon le mode de réalisation, l'échantillon 3 est en PDMS. Une paroi 7 du dispositif micro-fluidique 5 comporte également un capillaire 8 agencé pour qu'une aiguille 13 d'une seringue, comportant la suspension colloïdale 6 à injecter, y soit insérée. Une paroi 7 opposée comporte un évent 14. Le capillaire 8 doit présenter un diamètre intérieur inférieur au diamètre extérieur de l'aiguille 13. Les différentes variantes de cellules pouvant être utilisées lors de la mise en œuvre du procédé présentent un volume compris entre 50 μΙ et 5 ml et une surface associée comprise entre 100 mm2 et 5 cm2.
La suspension colloïdale 6 utilisée lors de la mise en œuvre du procédé est en régime de sédimentation, c'est-à-dire que les effets de la gravitation sur au moins une partie des particules 1 contenues dans la suspension colloïdale 6 sont supérieurs aux effets de l'agitation thermiques sur ladite au moins une partie des particules 1 contenues dans la suspension colloïdale 6. Lorsqu'aucune précision n'est apportée, la suspension colloïdale 6 utilisée lors de la mise en œuvre du procédé est une suspension de particules 1 de Polystyrène (PS) d'un diamètre de Féret maximal, ou exo-diamètre, compris entre 9 et 11 pm et la concentration de particules 1 est toujours telle que le nombre de particules 1 est supérieur au nombre de microstructures 21. La phase dispersante est de l'eau dans laquelle est diluée à 1/10 000 un surfactant dont le nom commercial est Triton X-100. Le Triton X-100 est une solution contenant du polyoxyethlene (C8Hi7C6H4(OC2H4)9-ioOH) à une concentration de 10% en volume. Lorsqu'aucune précision n'est apportée, le volume total de suspension colloïdale 6 injectée dans la chambre 10 est de 775 μΙ et la concentration en particules 1 correspondante est de 106 particules 1 par millilitre.
Une distribution en taille des particules 1 contenues dans la suspension colloïdale 6 est telle qu'un diamètre de Féret maximal Dfm de chaque particule 1 contenue dans la suspension colloïdale 6 est tel que :
kB : la constante de Boltzmann,
T : une température des particules contenues dans la suspension correspondant à la borne inférieure de l'intervalle de température de sédimentation,
μ : viscosité dynamique de la phase dispersante à la température T,
Δρ : différence entre une masse volumique des particules contenues dans la suspension colloïdale et une masse volumique de la phase dispersante, p : masse volumique de la phase dispersée à la température T,
g : la constante de pesanteur.
Il est possible d'utiliser tout type de particules 1 organiques, inorganiques ou métalliques (alliages et oxydes). Pour un type de particules 1 donné et une phase dispersante donnée, il sera possible, à partir de l'équation 1, de calculer la valeur de seuil inférieur du diamètre de Féret maximal desdites particules 1 à utiliser pour réaliser une suspension colloïdale 6 en régime de sédimentation. Une valeur de seuil supérieur du diamètre de Féret maximal des particules 1 peut être déterminée à partir de l'équation 2 et, en particulier, en fonction de la géométrie de la cellule, de sorte qu'une majeure partie des particules 1 de la suspension colloïdale 6 soient toujours en suspension suite à la mise en œuvre des étapes de recouvrement A et de condensation B. Au moins une partie des particules 1 en cours de sédimentation, contenues dans la suspension colloïdale 6, sédimentent en direction de la surface 2 de l'échantillon 3. Une majeure partie des particules 1 contenues dans la suspension colloïdale 6 sont des particules 1 en cours de sédimentation.
A partir de l'équation 1, de l'équation 2 et des différents types de matériaux communs dans lesquels peuvent être réalisées les particules 1, il peut être réalisé une estimation, approximative et non limitative, d'une gamme de taille de particules 1 pour laquelle les différents types de particules 1, constituées par lesdits différents types matériaux, se trouveront en régime de sédimentation. Cette gamme de taille est telle qu'une distribution en taille des particules contenues dans la suspension colloïdale peut être telle que :
-un diamètre de Féret maximal Dfm de chaque particule contenue dans la suspension colloïdale est supérieur à 100 nm, de préférence à 150 nm, et/ou
-un diamètre de Féret maximal Dfm de chaque particule contenue dans la suspension colloïdale est inférieur à 100 pm, de préférence supérieur à 50 pm.
A titre d'exemple non limitatif de particules 1 pouvant être utilisées pour mettre en œuvre une suspension colloïdale 6 en régime de sédimentation, il est possible d'utiliser des particules de PS d'une taille comprise entre 3 pm et 50 pm, des particules de dioxyde de silicium (Si02) d'une taille comprise entre 550 nm et 8 pm ou encore des particules d'or d'une taille comprise entre 150 nm et 2,3 pm .
Concernant l'équation 1, le calcul de la valeur de seuil inférieur du diamètre de Féret maximal des particules 1 de la suspension colloïdale 6, la valeur de la viscosité dynamique de la phase dispersante peut être tirée de tables connues de l'homme du métier. Lorsqu'elle est mesurée, elle peut l'être de préférence par un viscosimètre à capillarité ou par un viscosimètre à rotation ou à chute de billes.
Lorsqu'aucune précision n'est apportée, l'échantillon 3 présente une densité de microstructures 21 de 75000 microstructures 21 par centimètres carrés. Chaque microstructure 21 est agencée pour recevoir une seule particule 1. Chaque microstructure 21 présente un diamètre de Féret minimal, ou méso-diamètre, supérieur à une valeur seuil donnée et chaque particule 1 contenue dans la suspension colloïdale 6 présente un diamètre de Féret maximal inférieur à cette valeur seuil donnée, de sorte que les particules 1 peuvent pénétrer librement dans les microstructures 21 sous l'effet de la gravitation. Les microstructures 21 présentent un diamètre de Féret minimal, dans un plan parallèle à la surface 2 de l'échantillon 3, étant supérieur à 90 nanomètres (nm) et inférieur à 110 micromètres (microns ou pm). Le diamètre de Féret minimal d'une microstructure est d'environ 11 pm.
Lorsqu'aucune précision n'est apportée, la hauteur de la chambre 10, c'est-à-dire la distance entre la surface microstructurée 2 et la lame de verre 11, est de 1 mm.
Le procédé selon l'invention comprend une étape de recouvrement A, illustrée sur la FIGURE 1, de la surface 2 de l'échantillon 3 par la suspension colloïdale 6, l'étape de recouvrement A est réalisée à température ambiante comprise entre 19 et 23°C. Aucune limitation de température ne s'imposant lors de la mise en œuvre de l'étape de recouvrement A. Cette étape de recouvrement A peut être réalisée dans un intervalle de température compris entre 0 et 50°C, de préférence entre 10 et 40°C, de préférence encore entre 15 et 30°C.
Cette étape de recouvrement A est réalisée par introduction de la suspension colloïdale 6 dans la chambre 10 et par écoulement laminaire, par effet de capillarité, de la suspension colloïdale 6 sur la surface 2 de l'échantillon 3 selon un mouvement principalement tangentiel s'étendant selon une direction reliant les deux parois 7. Durant l'étape de recouvrement A, des bulles d'air 9 sont emprisonnées à l'intérieur des microstructures 21 ce qui empêche les particules 1 d'y pénétrer.
Selon le mode de réalisation, les bulles 9 emprisonnées à l'intérieur des microstructures 21 sont des bulles d'air car l'étape de recouvrement est réalisée à l'air ambiant.
L'étape de recouvrement A est suivie de l'étape de condensation B, illustrée sur la FIGURE 2, réalisée à une température de 5°C étant appliquée pendant une durée de 2 min. Cette étape a pour but de libérer les microstructures 21 en chassant les bulles d'air hors des microstructures 21. L'étape de condensation permet de chasser les bulles d'air des microstructures par :
-dissolution des bulles dans l'eau, et
-condensation de l'eau gazeuse des bulles d'air.
L'étape de sédimentation C, illustrée sur la FIGURE 3, des particules 1 contenues dans la suspension colloïdale 6 succède à l'étape de condensation
B. Cette étape est mise en œuvre à température ambiante comprise entre environ 19°C et 23°C pendant une durée d'environ sept minutes pour des particules présentant un diamètre de Féret maximal compris entre 9 et 11 μηι. Cette étape peut tout aussi bien être mise en œuvre sur un intervalle de température compris entre 0 et 50°C, de préférence entre 10 et 40°C, de préférence encore entre 15 et 30°C.
Durant l'étape de sédimentation C, les particules 1 sédimentent en direction de la surface 2 de l'échantillon 3. Suite à l'étape de sédimentation
C, une majeure partie des microstructures 21 comportent des particules 1 ayant sédimentées au sein des microstructures 21. Durant l'étape de sédimentation, une majeure partir des particules 1 pénètre librement dans une microstructure 21 jusqu'à une surface formant un fond de la microstructure 21.
En pratique, l'étape de condensation B est réalisée en totalité simultanément à l'étape de sédimentation C. En effet, la sédimentation des particules 1 débute dès lors que la suspension colloïdale 6 est injectée dans la chambre 10 de la cellule. L'étape de sédimentation C est donc en partie mise en œuvre concomitamment à l'étape de condensation B sur un intervalle de température de sédimentation partant de 5°C et augmentant au cours du temps jusqu'à la température ambiante comprise entre 19 et 23°C.
La durée de mise en œuvre de l'étape de sédimentation C est fonction de la hauteur de la cellule, de la taille et du type de particules 1. Pour un type et une taille de particules 1 donnés, la vitesse de sédimentation est calculée à partir de l'équation 2. Le choix des particules 1 doit être tel que la vitesse de sédimentation des particules 1 en cours de sédimentation est telle qu'une majeure partie desdites particules 1 en cours de sédimentation est toujours contenue dans la suspension colloïdale subséquemment à la mise en œuvre de l'étape de recouvrement A.
L'étape de sédimentation C est suivie d'une étape de piégeage convectif D des particules 1 dans les microstructures 21, illustrée sur la FIGURE 4, étant mise en œuvre à une température de 50°C pendant une durée de 5 min. Cette étape a pour effet d'augmenter les phénomènes de convection de sorte que les particules 1 reposant sur la surface 2 de l'échantillon 3 à proximité de microstructures 21 non occupées se déplacent au-dessus des microstructures 21 non occupées et sédimentent à l'intérieur de ces microstructures 21 non occupées. L'étape de piégeage D permet d'augmenter le taux de remplissage des microstructures 21 par les particules 1.
Selon le mode de réalisation, toutes les particules 1 contenues dans la suspension colloïdale 6, n'ont pas sédimentées lorsque l'étape de piégeage D est initiée. Donc, selon le mode de réalisation, au moins une partie de l'étape de piégeage convectif D est réalisée concomitamment à l'étape de sédimentation C. La totalité de l'étape de piégeage convectif D peut être réalisée concomitamment à l'étape de sédimentation C.
La durée de mise en œuvre de l'étape de piégeage convectif D est fonction de la concentration initiale de particules 1 dans la suspension colloïdale 6 et de la densité de microstructures 21 sur la surface 2 de l'échantillon 3. La durée de l'étape de piégeage convectif D à appliquer peut être déterminée expérimentalement. L'étape de retrait E, illustrée sur la FIGURE 5, de la suspension colloïdale de la surface 2 de l'échantillon 3 est mise en œuvre à la suite de l'étape de piégeage convectif D. L'étape de retrait E ne requiert pas d'imposer une température particulière à la cellule. Aussi, l'étape de retrait E peut être réalisée, de préférence, à température ambiante comprise entre 19 et 23°C. Le retrait de la suspension colloïdale 6 de la chambre 10 est réalisé par aspiration de la suspension colloïdale 6 par la seringue (non représentée) à travers l'aiguille 13 (non représentée) introduite dans le capillaire 8. L'étape de retrait E consiste en l'écoulement laminaire, induit par aspiration, de la suspension colloïdale 6 sur la surface 2 de l'échantillon 3 selon un mouvement principalement tangentiel s'étendant selon une direction reliant les deux parois 7. Ce mouvement tangentiel réalisé à vitesse contrôlée permet de retirer l'excédent de particules 1 qui ont sédimentées sur la surface 2 à l'extérieur des microstructures 21 tout en ne retirant pas les particules 1 logées dans les microstructures 21.
Le débit de retrait est d'environ de 1 ml/min selon le mode de réalisation. Le débit de retrait peut varier entre 10 μΙ/min et 10 ml/min en fonction de la géométrie de la cellule. Le débit de retrait est calculé de manière à ce que la vitesse linéaire de retrait de la suspension colloïdale 6 soit de l'ordre de 0,05 cm/min à 50 cm/min. Selon le mode de réalisation, le temps de retrait de la suspension colloïdale 6 est d'environ une minute.
Le débit de retrait est ajusté en fonction (i) de l'angle de recul formé entre la suspension colloïdale 6 et la surface 2 et (ii) de la viscosité dynamique de la suspension colloïdale 6. L'étape de retrait E influence directement le taux de remplissage des microstructures 21 par les particules 1. Un retrait trop rapide ou effectué par à-coup entraînera une chute significative du taux de remplissage des microstructures 21.
En référence à la FIGURE 6, il est décrit l'étape de recouvrement A de la surface 2 de l'échantillon 3 par la suspension colloïdale 6 et l'étape de retrait E de la suspension colloïdale 6 de la surface 2 de l'échantillon 3. Tel que décrit dans le document EP2942111A2, la cellule micro-fluidique comprend une préchambre 12 et une chambre 10. La chambre 10 est agencée pour recevoir la suspension colloïdale 6 et la surface microstructurée 2 de l'échantillon 3 constitue une des parois de la chambre 10. La chambre 10 est délimitée par les parois 7, des parois 71, la surface 2 de l'échantillon 3 et la lame de verre 11. La chambre 10 comprend l'évent 14 et le capillaire 8. Il est également représenté l'aiguille 13 d'une seringue (non représentée) insérée dans le capillaire 8. La préchambre 12 est contiguë et débouche dans la chambre 10. La suspension colloïdale 6 est injectée dans la préchambre 12. La suspension colloïdale 6 progresse ensuite dans la chambre 10 par mouillage des parois 71 (paroi 7 côté seringue également), de l'échantillon 3 et de la lame de verre 11, en formant un front progressant en direction de la paroi 7 comprenant l'évent 14. L'injection de la suspension colloïdale 6 dans la préchambre 12 est arrêtée de sorte que la suspension colloïdale 6 n'entre pas en contact avec la paroi 7 comprenant l'évent 14. Après la mise en œuvre de l'étape de piégeage convectif D, la suspension colloïdale 6 est aspirée dans la seringue selon l'étape de retrait E décrite précédemment.
En référence à la FIGURE 7, il est décrit l'évolution du nombre de microstructures 21 ne contenant plus de bulles d'air 9 au cours de la mise en œuvre de l'étape de condensation A. L'axe des ordonnées du graphique de la FIGURE 7 représente le pourcentage de microstructures 21 non occupées par une bulle d'air 9 et l'axe des abscisses le temps en secondes. La courbe I illustre la mise en œuvre de l'étape de condensation A à une température de 25°C, la courbe II à une température de 18°C, la courbe III à une température de 12°C et la courbe IV à une température de 6°C. On remarque que pour une température de 25°C, moins de 30% des microstructures 21 ne contiennent plus de bulles d'air 9 au bout de 250 secondes alors que pour une température de 6°C, l'ensemble des microstructures 21 ne contiennent plus de bulles d'air 9 après moins de 50 secondes. L'étape de condensation B peut donc être réalisée sur un intervalle de température dont une borne supérieure est inférieure à 25°C. De préférence une borne supérieure de l'intervalle de température de condensation est inférieure à la borne inférieure de l'intervalle de température de sédimentation. De préférence une borne supérieure de l'intervalle de température de condensation est inférieure d'au moins 10 degrés Celsius (°) à la borne inférieure de l'intervalle de température de sédimentation. De préférence, une borne inférieure de l'intervalle de température de condensation est inférieure à 20°C, de préférence inférieure à 15°C, de préférence encore inférieure à 10°C. La température de mise en œuvre de l'étape de condensation B est, de préférence, ajustée de manière à ce que la durée de mise en œuvre de l'étape de condensation B est inférieure à 10 min, de préférence à 5 min.
En référence à la FIGURE 8, il est décrit l'évolution de la vitesse moyenne de particules 1, de PS d'une taille de 10 pm sur la courbe I, de PS d'une taille de 5 pm sur la courbe II et de Si02 d'une taille de 8 pm sur la courbe III, en fonction de la température du dispositif Peletier 4. L'axe des ordonnées représente la vitesse moyenne des particules 1 en micromètres par minutes et l'axe des abscisses la température en degrés Celsius. Compte tenu du volume de suspension colloïdale 6 contenu dans la cellule micro-fluidique et des densités volumiques des différents types de particules 1 utilisés, la température des particules 1 est considérée comme étant quasi-instantanément égale à la température de la suspension colloïdale 6, elle-même considérée comme étant quasi-instantanément égale à celle du module Pelletier 4. Une augmentation de la température de la suspension colloïdale 6 permet d'augmenter la vitesse des particules 1. Il est observé que pour des températures inférieures à 30°C, le diamètre des particules 1 influe peu sur la vitesse moyenne des particules 1. De plus, pour des diamètres équivalents, les particules 1 de matériaux différents ont des vitesses moyennes équivalentes. En revanche, pour des températures supérieures à 30°C et pour un même type de particule 1, la vitesse moyenne des particules 1 est d'autant plus élevée que le diamètre des particules 1 est élevé. Ainsi, une augmentation de la température permet de diminuer le temps nécessaire à une particule 1, ayant sédimentée sur la surface 2 de l'échantillon 3 à proximité d'une microstructure 21 non occupée, pour se déplacer sur la surface 2 de l'échantillon 3 jusqu'à se retrouver à l'aplomb de ladite microstructure 21 non occupée et d'y pénétrer sous l'effet de la gravitation. De cette manière l'étape de piégeage convectif D permet d'augmenter le taux de remplissage des microstructures 21 par les particules 1 en augmentant le flux de convection des particules 21. L'étape de piégeage D peut donc être mise en œuvre dans un intervalle de température dont une borne inférieure est supérieure à 25°C. De préférence, une borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage est supérieure à une borne supérieure de l'intervalle de température de recouvrement. De préférence, une borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage est supérieure à une borne supérieure de l'intervalle de température de sédimentation. De préférence, une borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage est supérieure d'au moins 10°C à une borne supérieure de l'intervalle de température de recouvrement. De préférence, une borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage est supérieure d'au moins 10°C à une borne supérieure de l'intervalle de température de sédimentation. De préférence, la borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage est supérieure à 25°C, de préférence supérieure à 30°C, de préférence encore supérieure à 40°C. La température de mise en œuvre de l'étape de piégeage D sera ajustée de manière à ce que la durée de mise en œuvre de l'étape de piégeage D est inférieure à 10 min.
En référence à la FIGURE 9, il est illustré l'évolution du taux de remplissage des microstructures 21 en fonction de la vitesse linéaire de retrait de la suspension colloïdale 6 de la surface 2 de l'échantillon 3 et du nombre de particules 1 contenues dans la suspension colloïdale 6. L'axe des ordonnées représente le taux de défauts en pourcentage, c'est-à-dire le nombre de microstructures 21 non occupées par une particule 1 après mise en œuvre du procédé. L'axe des abscisses supérieur représente la durée totale de retrait de la suspension colloïdale 6 en minutes et l'axe des abscisses inférieur représente la vitesse de balayage linéaire de la suspension colloïdale 6 appliquée lors de l'étape de retrait E en millilitres par minutes. La courbe I correspond à un nombre de particules 1 contenues dans la suspension colloïdale 6 tel que le ratio entre le nombre de particules 1 et le nombre de microstructures 21 est compris entre 0,5 et 1, la courbe II tel que le ratio entre le nombre de particules 1 et le nombre de microstructures 21 est compris entre 1 et 2, et la courbe III tel que le ratio entre le nombre de particules 1 et le nombre de microstructures 21 est compris entre 2,5 et 5. Les suspensions colloïdales 6 dont le nombre de particules 1 qu'elles contiennent est égal ou inférieur aux nombre de microstructures 21, présentent un pourcentage de défauts élevé étant égal à 34% pour les vitesses de retrait élevées (10ml/min) et à 18% pour les vitesses de retrait faibles (0,01ml/min). Les suspensions colloïdales 6 dont le nombre de particules 1 qu'elles contiennent est égal ou est le double du nombre de microstructures 21, présentent un pourcentage de défauts modérés étant égal à 12% pour les vitesses de retrait élevées (10ml/min) et à 3% pour les vitesses de retrait faibles (0,01ml/min). Les suspensions colloïdales 6 dont le nombre de particules 1 qu'elles contiennent est égal à au moins deux fois et demie le nombre de microstructures 21, le nombre de défaut est de l'ordre de 1% quelle que soit la vitesse de retrait de la suspension colloïdale 6.
En référence à la FIGURE 10, il est illustré le résultat de la mise en œuvre du procédé selon le mode de réalisation appliqué à des particules 1 fluorescentes de PS de 10 pm. L'image de microscopie de fluorescence présentée sur la FIGURE 10, illustre l'efficacité du procédé selon l'invention. Les particules 1 de PS sont visibles à l'intérieur des microstructures 21. L'assemblage obtenu présente un très faible taux de défaut. L'assemblage est obtenu en moins de 30 minutes. Le procédé est adapté aux grandes surfaces d'échantillon 3, telle que le centimètre carré ou le mètre carré. Le temps de mise en œuvre total peut être encore diminué, selon les besoins, par exemple, par une augmentation du nombre de particules 1 contenues dans la suspension colloïdale 6.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, dans des variantes combinables entre elles des modes de réalisation précédemment décrits :
-une profondeur d'une microstructure 21 est agencée pour accueillir plusieurs particules 1 empilées, et/ou
-une microstructure 21 est agencée pour recevoir plusieurs particules 1, et/ou -une microstructure 21 présente une forme quelconque, et/ou
-la chambre 10 ne comprend pas de capillaire 8, dans ce cas, l'aiguille 13 est insérée à travers la paroi 7 jusqu'à l'intérieur de la chambre 10, et/ou -l'étape de recouvrement A de la surface 2 de l'échantillon 3 microstructuré par la suspension colloïdale 6 peut être réalisée par introduction de la suspension colloïdale 6 dans la chambre 10 et être dépourvue d'écoulement de la suspension colloïdale 6 dans la chambre 10, et/ou
-durant l'étape de sédimentation C, au moins une partie des particules 1 en cours de sédimentation ne pénètrent qu'en partie dans les microstructures 21, et/ou
-l'étape de condensation B est réalisée uniquement en partie simultanément à l'étape de sédimentation C, et/ou
-une partie de l'étape de condensation B peut être réalisée concomitamment à une partie de l'étape de sédimentation C, et/ou
-la phase dispersante de la suspension colloïdale 6 contient un mélange d'un ou de plusieurs solvants organiques avec de l'eau, et/ou
-la phase dispersante de la suspension colloïdale 6 contient un mélange d'un ou de plusieurs solvants organiques et une absence d'eau, et/ou
-une quantité d'eau contenue dans la phase dispersante de la suspension colloïdale 6 est supérieure à une partie par million (ppm), et/ou
-les bulles 9 emprisonnées à l'intérieur des microstructures 21 durant l'étape de recouvrement A ne sont pas nécessairement des bulles d'air mais sont plus généralement des bulles de gaz, et/ou
-les bulles 9 emprisonnées à l'intérieur des microstructures 21 durant l'étape de recouvrement A sont des bulles constituées du gaz qui environne l'échantillon lors de la mise en œuvre de l'étape de recouvrement, et/ou -l'étape de sédimentation C, réalisée à partir d'une suspension colloïdale 6 en régime de sédimentation, est substituable par une suspension colloïdale 6 en régime balistique brownien, dans ce cas :
• ladite étape de sédimentation C comprend une étape de modification de la composition de la suspension colloïdale 6 recouvrant la surface 2 microstructurée de l'échantillon 3, de sorte, qu'après cette étape de modification, les particules 1 contenues dans la suspension colloïdale
6 sédimentent, et/ou
• une valeur maximale d'un diamètre de Féret maximal de chaque particule 1 contenue dans la suspension colloïdale 6 est tel que : • l'étape de modification de la composition de la suspension colloïdale 6 est réalisée de manière à engendrer une floculation d'au moins une partie des particules 1 contenues dans la suspension colloïdale 6, et/ou
· l'étape de modification de la composition suspension colloïdale 6 comporte un ajout d'un agent floculant dans la suspension colloïdale 6, et/ou
• l'agent floculant est un sel inorganique ou un polymère, et/ou
• le sel inorganique est choisi dans la famille des sels métalliques, il peut par exemple s'agir d'un sel de fer ou d'aluminium, et/ou
• l'agent floculant est choisi parmi des floculants polymériques,
• le floculant polymérique est choisi, par exemple, dans la famille des poly-acrylamides, et/ou
• l'étape de floculation initie la sédimentation des particules 1.
De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'assemblage de particules sur une surface microstructurée d'un échantillon, ledit procédé comprenant une étape de recouvrement de la surface de l'échantillon par une suspension colloïdale, l'étape de recouvrement étant réalisée à un intervalle de température dit de recouvrement,
le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de sédimentation de particules contenues dans la suspension colloïdale de sorte que des particules sédimentent en direction de la surface de l'échantillon, l'étape de sédimentation étant réalisée à un intervalle de température dit de sédimentation.
2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape de condensation des bulles de gaz contenues dans des microstructures de l'échantillon mise en œuvre :
- subséquemment à l'étape de recouvrement, et
- précédemment et/ou concomitamment à l'étape de sédimentation, l'étape de condensation étant réalisée à un intervalle de température dit de condensation, une borne supérieure de l'intervalle de température de condensation étant inférieure à une borne inférieure de l'intervalle de température de recouvrement.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape de condensation est mise en œuvre précédemment à l'étape de sédimentation et dans lequel une borne inférieure de l'intervalle de température de sédimentation est supérieure à une borne supérieure de l'intervalle de température de condensation.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape de piégeage de particules dans les microstructures de l'échantillon, l'étape de piégeage étant réalisée :
-concomitamment ou subséquemment à l'étape de sédimentation, et
-à un intervalle de température dit de piégeage.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel une borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage étant supérieure à une borne supérieure de l'intervalle de température de recouvrement.
6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel l'étape de piégeage est réalisée subséquemment à l'étape de sédimentation et dans lequel une borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage est supérieure à une borne supérieure de l'intervalle de température de sédimentation.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape de retrait de la suspension colloïdale de la surface microstructurée de l'échantillon, selon un mouvement principalement tangentiel relativement à ladite surface microstructurée, de sorte à retirer un excédent de particules présentes à la surface de l'échantillon, l'étape de retrait étant mise en œuvre subséquemment à l'étape de sédimentation et/ou à l'étape de piégeage.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de recouvrement est réalisée à partir d'une suspension dont une phase dispersante comprend :
-au moins en partie de l'eau.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'étape de recouvrement est réalisée à partir d'une suspension dont la phase dispersante comprend un mélange de solvants.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de sédimentation est réalisée à partir d'une suspension colloïdale en régime de sédimentation, les effets de la gravitation sur au moins une partie des particules contenues dans la suspension colloïdale étant supérieurs aux effets de l'agitation thermiques sur ladite au moins une partie des particules contenues dans la suspension colloïdale.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une distribution en taille des particules contenues dans la suspension colloïdale est telle qu'un diamètre de Féret maximal Dfm de chaque particule contenue dans la suspension colloïdale est tel que :
kB : la constante de Boltzmann,
T : une température des particules contenues dans la suspension correspondant à la borne inférieure de l'intervalle de température de sédimentation,
μ : viscosité dynamique de la phase dispersante à la température T,
Δρ : différence entre une masse volumique des particules contenues dans la suspension colloïdale et une masse volumique de la phase dispersante, p : masse volumique de la phase dispersée à la température T,
g : la constante de pesanteur.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, une distribution en taille des particules contenues dans la suspension colloïdale peut être telle que :
-un diamètre de Féret maximal Dfm de chaque particule contenue dans la suspension colloïdale est supérieur à 100 nm, de préférence à 150 nm, et/ou
-un diamètre de Féret maximal Dfm de chaque particule contenue dans la suspension colloïdale est inférieur à 100 pm, de préférence supérieur à 50 m..
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie des étapes sont mises en œuvre dans un dispositif micro-fluidique comprenant, entre autre, une chambre agencée pour recevoir la suspension colloïdale et dont une des parois comprend au moins en partie la surface microstructurée de l'échantillon.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de recouvrement de la surface de l'échantillon microstructuré par la suspension colloïdale est réalisée par introduction de la suspension colloïdale dans la chambre et par écoulement, par effet de capillarité, de la suspension colloïdale dans la chambre.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7, ou 8 à 14 considérée comme dépendante de la revendication 7, dans lequel, lors de l'étape de retrait de la suspension colloïdale, un angle de contact de recul formé entre la suspension colloïdale et la surface microstructurée de l'échantillon est compris entre et 10° et 80°, de préférence entre 20 et 70°, de préférence encore entre 30 et 50°.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'intervalle de température de recouvrement est compris entre 0 et 50°C.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, ou 4 à 16 considérée comme dépendante de la revendication 2, dans lequel la borne inférieure de l'intervalle de température de condensation est inférieure à 20°C, de préférence inférieure à 15°C, de préférence encore inférieure à 10°C.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'intervalle de température de sédimentation est compris entre 0 et 50°C.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, ou 7 à 18 considérée comme dépendante de la revendication 4, dans lequel la borne inférieure de l'intervalle de température de piégeage est supérieure à 25°C, de préférence supérieure à 30°C, de préférence encore supérieure à 40°C.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7, ou 8 à 19 considérée comme dépendante de la revendication 7, dans lequel une vitesse linéaire de retrait de la suspension colloïdale est comprise entre 0,05 et 50 cm/min.
EP18785900.4A 2017-10-05 2018-10-05 Procede d'assemblage de particules gravitationnel Pending EP3691797A1 (fr)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3231708A1 (fr) * 2021-09-07 2023-03-16 University Of Maine System Board Of Trustees Piegeage selectif de particules et ses applications
CN117698234B (zh) * 2023-11-08 2026-03-17 苏州城市学院 一种基底上含有钉扎的二维胶体玻璃及其制备方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2828386B2 (ja) 1993-08-31 1998-11-25 科学技術振興事業団 微粒子薄膜の製造方法
CA2426105C (fr) * 2000-10-16 2010-07-13 Geoffrey Alan Ozin Procede d'auto-assemblage et applications optiques de structures colloidales cristallines sur des substrats
US6991847B2 (en) * 2002-02-07 2006-01-31 Honeywell International Inc. Light emitting photonic crystals
WO2006084123A2 (fr) * 2005-02-02 2006-08-10 Marshall Robert A Procede d'auto-assemblage, opale, bande interdite photonique et source lumineuse
WO2010092836A1 (fr) * 2009-02-16 2010-08-19 国立大学法人大阪大学 Dispositif pour produire un film de particules et procédé de production de ce film
FR2943785B1 (fr) * 2009-03-31 2012-11-30 Centre Nat Rech Scient Procede de detection et de quantification d'analytes d'interet dans un liquide et dispositif de mise en oeuvre.
US20120171448A1 (en) * 2010-11-24 2012-07-05 Austin Joseph Akey Ordered assembly of nanoparticles in spatially defined regions
FR3020767A1 (fr) * 2014-05-08 2015-11-13 Commissariat Energie Atomique Dispositif de realisation d'un depot de particules sur un substrat et procede de depot utilisant un tel dispositif
US20160136682A1 (en) * 2014-11-18 2016-05-19 Ebo Usa Inc. Nanoparticle coated substrates and method of making the same
WO2017018946A1 (fr) * 2015-07-28 2017-02-02 Agency For Science, Technology And Research Procédé d'auto-assemblage de nanoparticules sur un substrat

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