Électrophorèse en non-équilibre d’une microparticule selective en ions

Non-equilibrium electrophoresis of ion-selective microparticle

• Auteur / Autrice : Elizaveta Frants
• Direction : Sakir Amiroudine, Evgeny A. Demekhin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 19/11/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université d'État du Kouban
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Tatyana Lyubimova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tatyana Lyubimova, Hugues Bodiguel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (matière)

Conduction électrique

Électrolytes

Électro-osmose

Électrophorèse

Mots clés libres

Microparticule ionique sélective

Électrophorèse

Électroosmose

Électrolyte

Équations de Nernst-Planck-Poisson-Stokes

Vitesse électrophorétique

Électrophorèse du second type

Électrophorèse non linéaire

Gradient de conductivité électrique

Instabilité électrohydrodynamique

Ion-selective microparticle

Ion-Selective microparticle

Electroosmosis

Electrolyte

Nernst- Planck-Poisson-Stokes equations

Electrophoretic velocity

Electrophoresis of the second kind

Non-linear electrophoresis

Electric conductivity gradient

Electrohydrodynamic instability

Résumé

Les travaux de cette thèse sont consacrés à l'étude théorique et numérique du mouvement d'une particule sphérique sélective en cations dans un électrolyte sous l'action d'un champ électrique externe d'intensités diverses. La région externe de l'électrolyte n'est pas limitée, par conséquent, l'influence des parois n'est pas prise en compte.Les principaux résultats suivants ont été obtenus dans ces travaux:1. Les solutions asymptotique et numérique du problème de l'électrophorèse dans un champ électrique d'intensité faible.2. Dans le cas limite d'une faible intensité de champ électrique, la dépendance de la vitesse électrophorétique de l'intensité du champ électrique est établie, ce qui est une généralisation de la formule de Helmholtz-Smoluchowski pour une particule diélectrique (condition d'équilibre) à une particule sélective d'ions (condition de non-équilibre).3. Une solution analytique du problème est obtenue dans le cas limite d'un champ électrique de forte intensité dans chacune des couches limites minces (double couche de Debye, zone de charge d’espace et la couche de diffusion).4. L'émergence d'une instabilité électrocinétique dans la région du flux entrant de cations a été trouvée. Un scénario de transition de flux d'un régime régulier à chaotique est obtenu.Aussi bien la compréhension de la dépendance de la vitesse des particules au champ électrique que le phénomène d'instabilité électrocinétique dans la région de charge sont d'une importance pratique. Ces études peuvent être utilisées, par exemple, pour créer de nouveaux dispositifs microfluidiques pour mélanger des liquides à la micro-échelle et pour évaluer l'efficacité de l'utilisation de l'instabilité électrocinétique dans la création et l'utilisation de tels dispositifs.

The work is devoted to the theoretical and numerical study of the motion of a spherical cation-selective particle in an electrolyte under the action of an external electric field of various strengths. The outer electrolyte region is not limited, so the problem is completely free from the possible influence of the walls.The following main results were obtained in the work:1. Asymptotic and numerical solution of the electrophoresis problem in a weak electric field.2. In the limiting case of the weak electric field, the dependence of the electrophoretic velocity on the electric field strength is derived, which is a generalization of the Helmholtz-Smoluchowski formula for a dielectric particle (an equilibrium process) to the ion-selective particle (non-equilibrium process).3. An analytical expansion of the problem is obtained for the limiting case of a strong electric field in each of the thin boundary layers (electric double layer, space charge region and diffusion layer).4. The emergence of electrokinetic instability in the region of the incoming cations flux was found. A scenario of the flow transition from regular to chaotic is obtained.Both the understanding of the dependence of the particle velocity on the electric field strength and the discovered phenomenon of electrokinetic instability of the space charge region are of practical importance. The electrokinetic instability can be used to create new microfluidic devices for mixing liquids on a micro-scale and for evaluating the efficiency of using electrokinetic instability in the creation of such devices.