Active matter versus gravity : effective equation of state and capilarity of self-propelled particle suspensions
Matière active versus gravité : équation d’état et capillarité effectives de suspensions de particules autopropulsées
Résumé
Active matter is a rapidly expanding field in recent years. It consists of entities able to use an energy source to produce local work such as self-propulsion. Such matter, by being out of equilibrium, has fascinating properties such as self-organization as seen in a flock of birds. However, active matter is not limited to biological systems. Active abiotic systems have also been developed. Indeed, during this thesis, we study a system made of self-propelled microparticles. Our objectives are to understand how they organize in the presence of gravity and in contact with a wall. Our system is made of Janus Au/Pt colloids that can self-propel in the presence of hydrogen peroxide by phoretic mechanisms. The colloids being denser than water, they form a monolayer on the bottom of their container. Provided a small tilting angle, we can observed 2D sedimentation. For colloidal systems at equilibrium, the sedimentation profile contains the equation of state of the system. For active systems, an equation of state does not exist in the general case, but analogous thermodynamic quantities can be defined. I measured the sedimentation profile of my active system and compared it to models developed for active Brownian particles in a "dry" environment (ABPs). I showed that the role of the background fluid cannot be neglected. In a second part, we studied the wetting properties of our system. Active mater is known to have effective wetting properties, yet no experimental study with a system analogous to ours has focused on the wetting phenomenon of a wall vertically immersed in a sediment. We show that an adhesion layer is formed with the density rising at the wall. To better understand the observed phenomena, we have confronted them with a numerical model of ABPs for which we can vary the interactions between the particles and the wall. By playing on the adhesion and the alignment with the wall, we are able to reproduce the experimental results. Indeed, the implementation of these interactions at the wall enables, to a certain extent, to take into account numerically the background fluid and thus the hydrodynamic and phoretic interactions that our colloids have with the wall. We thus show that these interactions greatly exacerbates the polarization of the propulsion velocity of the particles at the wall which is largely responsible for the density rise. Indeed, it is known that in the dilute and stationary regime, particles far from the wall are able to polarize against gravity. This polarization is amplified by an alignement with a vertical wall. Furthermore, the addition of an additional attraction allows particles to be more strongly trapped at the wall, and rise higher than ABPs without wall interactions would. As they rise, the particles will "evaporate" and fall away from the wall leading to global fluxes in the system. The wall acts as a pump that sets the particles in motion in the system collectively at a much larger scale than the particle. Finally, because we want to investigate the microrheology on active matter, we also present in this thesis all the updates on the design of a new magnetic microrheometer as well as the work on the stabilization of colloids on glass surfaces with the objective of designing custom imaging cells.
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 exacerbe 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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)