Active motion and self-propulsion of polymers and fibers

par Arthur Baumann

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Igor Kulic et de Albert Johner.

Soutenue le 20-12-2018

à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) , en partenariat avec Institut Charles Sadron (Strasbourg) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Marc Di Meglio.

Le jury était composé de Christophe Ybert, Wiebke Drenckhan, Antonio Stocco.

Les rapporteurs étaient Hervé Mohrbach, Hartmut Löwen.

mots clés

• Matière molle
• Élasticité
• Polymères
• Moteurs
• Confotronique
• ADN
• Convection
• Moteurs
• Polymères -- Propriétés mécaniques
• Solides élastiques

Titre traduit

Mouvement actif et auto-propulsion de polymères et de fibres

Résumé

Ce manuscrit de thèse porte sur l'étude de deux projets distincts. Le premier fait état de la conception expérimentale ainsi que de l'étude théorique d'un tout nouveau type de moteur basé sur des fibres de polymères : le fiberdrive. Le fonctionnement de ce moteur s'appuie sur un nouveau concept physique décrit ici, les modes de déformation à énergie élastique nulle. Ces modes de déformation sont entraînés par un flux d'énergie qui provoque une déformation élastique au sein du matériau. Le présent manuscrit développe un modèle théorique qui est confronté à la première réalisation expérimentale de ce type de moteur. Le système réalisé est le moteur le plus simple au monde, un stator sans rotor. La deuxième partie du manuscrit introduit le concept de confotronique, l'étude de système composés d'unités commutables individuellement coopérant à grande échelle. Ce concept est mis en oeuvre dans la réalisation d'une fibre confotronique à base d'ADN ainsi que dans la conception d'un moteur moléculaire à base d'ADN.

mots clés

• Soft matter
• Elasticity
• Polymers
• Motors
• Confotronic
• DNA
• Convection

Résumé

This thesis manuscript deals with the study of two distinct projects. The first deals with the experimental design as well as the theoretical study of a brand new type of engine based on polymer fibers: the fiberdrive. The operation of this engine is based on a new physical concept described here, deformation modes with zero elastic energy (ZEEMs). These deformation modes are driven by a flow of energy that causes elastic deformation within the material. This manuscript develops a theoretical model that is confronted with the first experimental realization of this type of engine. The realized system is the simplest engine in the world, a stator without rotor.The second part of the manuscript introduces the concept of confotronics, the study of system composed of individually switchable units cooperating on a large scale. This concept is implemented in the realization of a DNA-based confotronic fiber as well as in the design of a DNA-based molecular engine.