Suspensions de micro-particules actives : dynamique collective et propriétés effectives d’un fluide actif

Suspensions of active microparticles : collective dynamics and effective rheology of an active fluid

• Auteur / Autrice : Tullio Traverso
• Direction : Sébastien Michelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 18/11/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Anke Lindner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Michelin, Philippe Peyla, Yongyun Hwang, Christophe Ybert, Sara Jabbari-Farouji
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Peyla, Yongyun Hwang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules Janus

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Particules Janus

Microhydrodynamique

Dynamique collective

Fluide actif

Janus particles

Microhydrodynamics

Collective dynamics

Active fluids

Résumé

Les particules catalytiques autopropulsées, tout comme les micro-organismes biologiques, ont fait récemment l’objet d’un intérêt marqué pour l’étude de la dynamique individuelle et collective à l’échelle du micron. D’inspiration bio-mimétique, elles présentent de nombreuses opportunités d’applications technologiques dans le domaine biomédical ou pour le contrôle actif du comportement macroscopique de suspensions artificielles. Nous nous concentrons ici sur une catégorie particulière de ces particules, connues sous le nom de nageurs auto-phorétiques. Ces particules possèdent une surface dotée d’une activité chimique, c'est-à-dire capable de modifier les propriétés physico-chimiques de son environnement comme la concentration d'un soluté chimique. Cette propriété, combinée à la capacité de convertir les gradients de concentration surfaciques auto-générés en forces interfaciales, permet à ces particules de s'autopropulser (auto-diffusiophorèse). Les nageurs autophorétiques interagissent via leur empreinte hydrodynamique (écoulement) et chimique (gradient de concentration) sur leur environnement, et ces interactions hydrochimiques sont responsables de l'émergence de dynamiques collectives. Plus précisément, cette dynamique, qui est au coeur de ce travail, résulte de la compétition entre (i) l'autopropulsion des particules, (ii) leurs interactions chimiques attractives/répulsives, et (iii) les perturbations de l'écoulement environnant qu'elles introduisent par leur mouvement. Ces trois ingrédients sont déterminés par le détail des propriétés physico-chimiques de la surface de ces colloïdes. De ce fait, ce travail présente un modèle cinétique pour les suspensions diluées de nageurs autophorétiques, basé sur une détermination explicite des signatures hydrodynamiques et chimiques des particules à partir de leurs propriétés microscopiques. À l'aide d'une analyse de stabilité linéaire, nous analysons le rôle des interactions chimiques et de l'auto-propulsion dans l'émergence de la dynamique collective. Des simulations numériques du modèle cinétique complet sont ensuite réalisées pour analyser l'importance relative des interactions chimiques et hydrodynamiques dans la dynamique non linéaire. Nos résultats montrent que des structures spatio-temporelles régulières de la densité des particules sont favorisées par les interactions chimiques entre particules, mais sont régulées par les écoulements générés de manière coordonnée et auto-organisée par les nageurs. La dernière partie du manuscrit se concentre sur l'effet sur ces comportements collectifs d’un écoulement de type Poiseuille dans un canal et sur l'impact sur la viscosité effective de la suspension (ou fluide actif) de l'agglomération des particules induite par leur réorientation induite chimiquement. Le système est résolu numériquement dans un canal 2D et quatre régimes dynamiques sont identifiés au fur et à mesure que l'on augmente le forçage en pression qui maintient l'écoulement. Chaque régime est associé à un comportement collectif différent résultant de la compétition entre la réorientation des nageurs induite par le cisaillement, la réorientation induite chimiquement et les contraintes associées au confinement. Lorsqu'ils sont placés dans un écoulement externe imposé, les nageurs actifs sont connus pour faciliter ou entraver le flux en raison des forçages hydrodynamiques locaux qu'ils génèrent activement, augmentant ou réduisant ainsi la viscosité effective du fluide. De manière intéressante, nous observons que l'effet de la signature hydrodynamique des nageurs de type “pusher" (resp. “puller"), connus pour réduire (resp. augmenter) la viscosité effective d'une suspension cisaillée, est inversé lors de l'émergence de l'agglomération spontanée des particules. Nos résultats fournissent de nouvelles perspectives sur le rôle de la dynamique collective dans des environnements complexes, ce qui rend ce travail pertinent à la fois pour les systèmes synthétiques et biologiques.

In recent years, self-propelled catalytic particles have attracted much attention as biomimetic alternatives to biological microorganisms to study individual and collective dynamics at the micron scale. They are also potential candidates to perform controlled applications in the field of biomedical engineering (e.g. targeted drug delivery or microsurgery) or to actively control the macroscopic behavior of a synthetic suspension. Here, we will concentrate on a class of these active colloidal particles, called autophoretic swimmers. Such swimmers have a chemically-active surface, namely that is able to change the physico-chemical properties of their environment such as a solute's concentration. This property, combined with the ability to convert self-generated concentration surface gradients into interfacial forces, allow these particles to self-propel, a mechanism known as self-diffusiophoresis.Self-diffusiophoretic swimmers interact with each other via hydrodynamic and chemical interactions which are responsible for the emergence of collective dynamics. Specifically, these dynamics, which are central to this work, arise from the competition of (i) the self-propulsion of the particles, (ii) the attractive/repulsive chemically-mediated interactions between particles, and (iii) the flow disturbance they introduce in the surrounding medium. These three ingredients are directly determined by the shape and physicochemical properties of the colloids’ surface. Owing to such link, we derive a kinetic model for dilute suspensions of chemically active swimmers where the particle’s hydrodynamic and chemical signatures are intrinsically linked and explicitly determined by the microscopic properties of the colloids. Using linear stability analysis, we discuss the role of chemically-mediated interactions and self-propulsion in determining the emergence of collective dynamics. Numerical simulations of the complete kinetic model are further performed to analyze the relative importance of chemical and hydrodynamic interactions in the nonlinear dynamics. Our results show that regular spatio-temporal patterns in the particles’ density are promoted by chemical signaling and prevented by the strong fluid flows generated collectively by the self-organizing particles for both pusher and puller swimmers.The last part of the manuscript is focused on the effect of an imposed pressure-driven channel flow on these collective behaviors and the impact of chemotactic aggregation on the effective viscosity of the active fluid. The system is solved numerically in a 2D channel and four dynamic regimes are identified when increasing the strength of the imposed pressure-driven flow. Each regime is associated with a different collective behavior resulting from the competition of flow- and chemically-induced reorientation of the swimmers together with the constraints of confinement.When placed in an external flow, active swimmers are known to either facilitate or hinder the flow because of the hydrodynamic stresses they actively generate, thus increasing or reducing the effective viscosity of the fluid, respectively. Interestingly, we observe that the effect of the pusher (resp. puller) hydrodynamic signature, which is known to reduce (resp. increase) the effective viscosity of a sheared suspension, is inverted upon the emergence of spontaneous particles’ aggregation. Our results provide new insights on the role of collective dynamics in complex environments, which makes this work relevant to both synthetic and biological systems.