Nage de suspensions actives en milieu complexe

Swimming of active suspensions in a crowded environment

• Auteur / Autrice : Marvin Brun-Cosme-Bruny
• Direction : Salima Rafaï, Philippe Peyla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 14/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Marmottant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hamid Kellay, Blaise Delmotte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anke Lindner, Harold Auradou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules -- Motilité

Hydrodynamique

Dynamique des fluides

Chlamydomonas reinhardtii

Mots clés libres

Matière Active

Micro-Nageurs

Hydrodynamique

Suspensions

Diffusivité

Phototactisme

Active Matter

Micro-Swimmers

Hydrodynamics

Suspensions

Diffusivity

Phototaxis

Résumé

Les suspensions actives définissent des ensembles de particules autopropulsées au sein d'un fluide. Elles regroupent une diversité de systèmes tels que les bactéries, les micro-robots, ou encore le plancton. Ces systèmes actifs motivent plusieurs communautés scientifiques (Physique, Mécanique, Biologie et Mathématiques) souhaitant développer une compréhension à visée universelle pour décrire ce nouvel état de la matière. Fournissant leur propre énergie en vue d'un mouvement dans le volume, ces systèmes sont souvent pris comme modèles touchant à une problématique de physique statistique hors-équilibre. Ce travail de thèse a pour objet de fournir une compréhension des interactions entre le mouvement des suspensions actives et un environnement complexe. Le micro-nageur Chlamydomonas Reinhardtii (CR), choisi ici comme modèle de particules actives, est étudié sous plusieurs approches complémentaires couplant expériences, théorie et simulations numériques. Le recours à la micro-fabrication par lithographie nous permet la réalisation de milieux complexes variés faits de confinements et de réseaux de micro-piliers, à même de perturber le champ hydrodynamique généré par les micro-nageurs. Ainsi, la présence d'obstacles et confinements agit sur la dynamique de la particule, résultant d'encombrements stériques couplés à des interactions hydrodynamiques de longue portée. En l'occurrence, les CR voient leur diffusivité évoluer avec le confinement, ce qui peut s'expliquer par des arguments géométriques et hydrodynamiques. Par ailleurs, le phototactisme (répulsion des micro-nageurs par une source lumineuse) en milieu complexe est également abordée. La nage des CR devient alors purement balistique, cela nous permet d'étudier la nage des suspensions à travers une constriction. En particulier, le colmatage et l'effet faster-is-slower se vérifient chez le micro-nageur comme chez de nombreux autres systèmes (piétons, moutons, simulations numériques, souris, etc...) révélant ainsi le rôle important de la friction entre cellules.

The active suspensions are defined as assemblies of self-propelled particles in a fluid. They are composed of a variety of different systems such as bacteria, micro-robots, or planktons. These active systems inspire several scientific communities (Physics, Mechanics, Biology and Mathematics) in order to develop a universal understanding to describe this new state of matter. Providing their own energy for moving in bulk, these systems are often considered as interesting models to answer the questions related to non-equilibrium statistical physics. This thesis aims at understanding the interactions between the motion of particles and its complex environment. The micro-swimmer Chlamydomonas Reinhardtii (CR), chosen as a model of active particles, is studied with several complementary approaches incorporating experiments, theory and numerical simulations. The use of soft lithography as the micro-fabrication technique allows us to create various complex environments made of confinements and networks of micro-pillars. Those environments can disturb the hydrodynamic fields generated by the micro-swimmers. Thus, the presence of obstacles and confinements affects the dynamics of the particles, resulting from steric hindrances coupled with long-range hydrodynamic interactions. In this case, the CR has an evolving diffusivity with confinement, which can be explained by geometric and hydrodynamic arguments. Additionally, phototaxis (repulsion of micro-swimmers by a light source) in a complex medium is also studied. The swimming of the CRs then become entirely ballistic, so that we can study the suspensions’ motion through a constriction. Particularly, clogging and faster-is-slower effects are observed in the micro-swimmers, as well as in many other systems (pedestrians, sheeps, mice, numerical simulations, etc...) revealing the significant role of friction between cells.