Thèses

Lundi 17 Juillet 2023 à 14h00.

Matière active vs gravité : équation d'état et capillarité effectives de suspensions de particules autopropulsées

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Directeur de thèse / thesis director :
Mathieu LEOCMACH, Cécile COTTIN-BIZONNE et Christophe YBERT

Membres du jury / jury members :
Thierry BIBEN
Cécile COTTIN-BIZONNE
Florence Elias
Mathieu LEOCMACH
Kirsten MARTENS
Antonio STOCCO
Christophe YBERT

Résumé / Abstract :
La matière active est un domaine en pleine expansion au cours de ces dernières années. Elle est constituée d’entités capables d’utiliser une source d’énergie pour produire un travail local comme de l’auto-propulsion. Cette matière, hors équilibre, possède des propriétés fascinantes comme l’auto-organisation telle qu’observée dans une nuée d’oiseaux. Cependant, cette matière ne se limite pas au vivant et des système actifs abiotiques ont été développés. En particulier, au cours de cette thèse, nous utilisons des microparticules auto-propulsées. Nos objectifs sont de comprendre comment elles s’organisent en présence de gravité et au contact d’une paroi.

Notre système est constitué de colloïdes Janus Au/Pt capables de s’auto-propulser en présence d’eau oxygénée par des mécanismes phorétiques. Les colloïdes étant plus denses que l’eau, ils forment une monocouche au fond du récipient. Si ce fond est légèrement incliné, nous observons une sédimentation 2D. Pour les systèmes colloïdaux à l’équilibre, le profil de sédimentation renferme l’équation d’état du système. Pour les systèmes actifs, une équation d’état n’existe pas dans le cas général mais on peut toutefois définir des grandeurs thermodynamiques analogues. J'ai mesuré le profil de sédimentation de mon système actif et je l'ai confronté à des modèles développés pour des particules brownienne actives en milieu « sec » (ABPs). J'ai pu ainsi montrer que le rôle du fluide porteur ne peut être négligé.

Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés de mouillage de ce système. La matière active est connue pour présenter des propriétés de mouillage effectives mais aucune étude expérimentale avec un système analogue au notre ne s’est focalisée sur le phénomène de mouillage d’une paroi plongée à la verticale dans un sédiment. Nous montrons qu’il s’y forme une couche d’adhésion accompagnée d’une remontée de la densité à la paroi. Pour mieux comprendre les phénomènes observés, nous les avons confrontés à un modèle numérique d’ABPs pour lequel nous pouvons faire varier les interactions entre les particules et la paroi. En jouant sur l’adhésion et l’alignement à la paroi, on est capable de reproduire les résultats expérimentaux. En effet, l’implémentation de ces interactions à la paroi permet, dans une certaine mesure, de prendre en compte numériquement le fluide porteur et donc les interactions hydrodynamique et phorétique de nos colloïdes avec la paroi. On montre ainsi que ces interactions exacerbent grandement la polarisation de la vitesse de propulsion des particules à la paroi qui est en grande partie à l’origine de la remontée de densité. En effet, il a été démontré qu’en régime stationnaire et dilué, les particules loin de la paroi sont capables de se polariser à l’encontre de la gravité. Nous montrons que cette polarisation est amplifiée par un alignement sur une paroi verticale. De plus, l’ajout d’une attraction supplémentaire permet de piéger plus fortement les particules le long de la paroi qui vont alors remonter plus haut que ne le feraient des ABPs sans interactions avec la paroi. Au fur à mesure de leur ascension, les particules vont « s’évaporer » et chuter loin de la paroi conduisant à des mouvements globaux dans le système. La paroi agit comme un moteur de la circulation qui met en mouvement les particules dans le système de façon collective à une échelle bien plus grande que celle de la particule.

Enfin, dans la perspective de caractériser la microrhéologie de la matière active, nous présentons également dans cette thèse l’ensemble des avancées sur la conception d’un nouveau microrhéomètre magnétique ainsi que les travaux sur la stabilisation des colloïdes sur des surfaces de verre dans l’objectif de concevoir des cellules d’imagerie sur mesure.

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