Dynamique collective de colloïdes auto-propulsés

• Auteur / Autrice : Antoine Bricard
• Direction : Denis Bartolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et Interfaces
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colloïdes

Chimie physique et théorique

Floculation

Mots clés libres

Colloïdes auto-propulsés

Résumé

Depuis 1995 et l'introduction du modèle de Vicsek, la communauté des physiciens a développé un intérêt croissant pour la matière active, et en particulier pour la matière active polaire. Il existe un grand nombre de travaux théoriques et numériques, mais relativement peu de systèmes physiques expérimentaux qui produisent une dynamique de flocking, et en 2011 aucun d'entre eux ne permettait à la fois de manipuler un très grand nombre de particules et d'identifier et maîtriser le détail des m'mécanismes de propulsion et d'interaction des particules. L'objectif de cette thèse était de combler ce manque. Nous avons atteint ce but en motorisant des colloïdesà l'aide d'un effet électro-hydrodynamique connu sous le nom d'électro-rotation de Quincke. Nous avons étudié ces colloïdes, que nous avons appelés des rouleurs de Quincke, dans différentes géométries. En les étudiant dans des pistes périodiques en forme de piste d'athlétisme, nous avons retrouvé une phénoménologie de flocking similaire à celle produite par le modèle de Vicsek. Nous avons observé et caractérisé trois phases et les transitions associées entre un gaz isotrope désordonné, des bandes ordonnées, inhomogènes et anisotropes, et finalement un liquide polaire ordonné, homogène et isotrope. Ce liquide polaire est le premier observé en laboratoire. Nous avons également étudié le comportement d'une assemblée de rouleurs de Quincke dans un confinement circulaire, et nous avons observé et caractérisé la transition entre un gaz isotrope et d'désordonné et un vortex inhomogène et partiellement ordonné. Par la suite, nous décrivons sommairement les phases qui apparaissent dans des confinements plus complexes et les transitions associées. A chaque fois, nous avons tire parti de notre compréhension fine des mécanismes microscopiques pour confronter avec succès nos résultats expérimentaux à des modèles théorique.

This Since 1995 and the introduction of the Vicsek model, the physicist community has shown a growing interest for active matter and particularly polar active matter. There has been a lot of theoretical and numerical works, but few physical experimental systems which display a flocking dynamic. In 2011, none of them aliows both to handle a very large number of particules and to identify and deeply understand the details of the interactions and the propulsion mechanism. With this thesis, we hoped to fil this void. We achieved this goal by propelling colloids with a electrohydrodynamic effect known as Quincke electro-rotation. We studied these colloids, which we named Quincke rollers, in different geometries. Studying them in a stadium-shaped potential with periodic boundary conditions, we found a flocking phenomenology similar to one emerging from the Vicsek model. We observed and fully characterized three phases, a disordered isotropic gas, ordered, inhomogeneous, anisotropie bands and an ordered, homogeneous, isotropic polar liquid. This polar liquid is the very first to be observed in a laboratory. Then we studied an assembly of Quincke rollers in a circular confinement, and observed an characterized the transition between an isotropic gas and an inhomogeneous and partially ordered vortex. Finally, we shortly describe the phases and the transition that occur in more complex confinements. Each time we used our full understanding of microscopic mechanisms of the propulsion and the interactions to successfully confront the experimental results to relevant theoretical models.