Soutenance de thèse de HUART Céline
Titre de thèse
Étude de la cristallisation confinée dans des gouttelettes microfluidiques par RMN hyperpolarisée
Investigation of confined crystallisation in microfluidic droplets via hyperpolarised NMR
Résumé de la thèse
La cristallisation, bien que largement étudiée, demeure un phénomène encore mal compris, notamment en ce qui concerne l'apparition des premières phases solides. L'objectif de cette thèse est d'accéder à une description détaillée, à l'échelle atomique, d'espèces transitoires à courte durée de vie se formant lors des premières étapes de la cristallisation. Ces intermédiaires, associés aux phénomènes de nucléation, restent aujourd'hui difficilement accessibles par les méthodes expérimentales conventionnelles.
Pour répondre à cette question, nous proposons une approche combinant la microfluidique en gouttes et la spectroscopie RMN couplée à la polarisation dynamique nucléaire (DNP). Cette combinaison vise à développer une méthodologie expérimentale originale permettant de suivre et de caractériser les processus de cristallisation dans des volumes confinés, de l'ordre du microlitre, avec un contrôle précis des conditions thermiques, thermodynamiques et du temps de cristallisation.
Dans ce contexte, une méthodologie basée sur la RMN-DNP a été mise en œuvre afin d'étudier des espèces transitoires impliquées dans les premières étapes de la cristallisation. Cette approche repose sur l'interruption du processus de cristallisation par refroidissement rapide à des temps choisis (« snapshots »), permettant de préserver les états structuraux pour leur caractérisation. Couplée à la cristallisation en milieu confiné par microfluidique de gouttes, cette stratégie permet de générer de manière contrôlée des gouttes de solutions sursaturées ou de suspensions solides, tout en assurant un contrôle précis des conditions thermiques, thermodynamiques et des temps de cristallisation. La combinaison de la microfluidique, qui offre un contrôle spatio-temporel fin des expériences de cristallisation, et de la RMN-DNP, qui apporte la sensibilité nécessaire à la détection d'espèces présentes à faible concentration, constitue une approche originale pour l'étude des mécanismes de nucléation. L'efficacité de cette stratégie a été évaluée sur un composé modèle, la glycine.
Cette méthodologie combinant microfluidique et RMN-DNP constitue une approche complète pour l'étude des premières étapes de cristallisation.
Thesis resume
Crystallisation, although extensively studied, remains a poorly understood phenomenon, particularly regarding the formation of the earliest solid phases. This thesis aims to access a detailed atomic-scale description of short-lived transient species forming during the initial stages of crystallisation. These intermediates, associated with nucleation processes, are still difficult to probe using conventional experimental techniques.
To address this challenge, we propose an approach combining droplet-based microfluidics and dynamic nuclear polarisation nuclear magnetic resonance (DNP-NMR). This combination is designed to develop an experimental methodology enabling the monitoring and characterisation of crystallisation processes in confined volumes on the order of the microliter, with precise control over thermodynamic conditions and time evolution.
In this context, a methodology based on DNP-NMR was implemented to investigate transient species involved in the early stages of crystallisation. This approach relies on interrupting the crystallization process by rapid cooling at selected time points ("snapshots"), thereby preserving transient structural states for subsequent characterisation. Combined with crystallisation under confined conditions using droplet microfluidics, this strategy enables the controlled generation of droplets containing supersaturated solutions or solid suspensions, while ensuring precise control over thermal conditions, thermodynamic parameters, and crystallisation times. The combination of microfluidics, which provides fine spatio-temporal control over crystallisation experiments, with DNP-NMR, which offers the sensitivity required to detect low-concentration species, constitutes an original approach for investigating nucleation mechanisms. The effectiveness of this strategy was evaluated using glycine as a model compound.
This strategy, combining microfluidics and DNP-NMR, provides a comprehensive approach for investigating the earliest stages of crystallisation.