Contrôle de la forme et des propriétés mécaniques de micro-hélices flexibles et leurs déformations en écoulement visqueux.

Control of shape and mechanical properties of flexible micro-helices and their deformation in viscous flows

• Auteur / Autrice : Lucas Prévost
• Direction : Anke Lindner, Olivia Du Roure
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Élise Lorenceau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anke Lindner, Olivia Du Roure, Élise Lorenceau, Clément de Loubens, Pedro Reis, Lucio Isa, Henry Fu, Alfred J. Crosby
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Clément de Loubens, Pedro Reis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanohélices

Microfluidique

Écoulement visqueux

Micro-fabrication

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Ruban hélicoïdal

Hélice flexible

Fluid-Structure interaction

Helical ribbon

Flexible helix

Micro-Fabrication

Viscous flow

Microfluidic

Résumé

De nombreux systèmes naturels ou artificiels sont de forme hélicoïdale et sont hautement déformables : double-hélice de l'ADN, vrille végétale ou structure hélice alpha dans les protéines. L'étude des propriétés mécaniques de telles structures et de leurs comportements en écoulement est critique à de nombreux égards. Une meilleure connaissance de ses effets participerait à mieux comprendre la propulsion des micro-organismes et mènerait à de nombreuses innovations technologiques : micro-capteurs de débit, micro-nageurs artificiels ou nano-ressorts pouvant servir de capteur de force ou d'actionneur. Dans cette thèse, diverses techniques de micro-fabrication, de micro-fluidique, de microscopie optique et de mesure de force par poutre cantilever sont combinées. Elles permettent de mener plusieurs expériences rigoureusement contrôlées explorant la physique des hélices flexibles. Un dispositif expérimental complet est conçu, intégrant la fabrication de micro-hélices flexibles, la caractérisation de leurs propriétés mécaniques et l'étude des interactions fluide-structure. Une méthode de fabrication de rubans hélicoïdaux micrométriques hautement déformables est mise au point, permettant pour la première fois un contrôle complet de tous les paramètres géométriques. En nous basant sur une technique de formation spontanée de rubans hélicoïdaux, nous démontrons que les propriétés de fluage des matériaux peuvent être exploitées pour modifier à volonté la géométrie de la structure. Les propriétés mécaniques sont ensuite caractérisées par la mesure de la loi force-extension. Tirant parti du contrôle nouvellement accru de la géométrie, l'influence du pas de l'hélice sur la réponse mécanique est quantifiée. Les résultats expérimentaux concordent qualitativement et quantitativement avec les modèles existants de rubans élastiques inextensibles. Enfin, l'extension de rubans hélicoïdaux soumis à un écoulement axial visqueux est étudiée. Pour la première fois expérimentalement, l'influence du pas de l'hélice est quantifiée. Une rigidification effective de l'hélice est observée lorsque le pas augmente, phénomène qui n'est pas décrit par les modèles existants. Une nouvelle approche analytique est développée. Il apparaît que le comportement expérimental est bien décrit par une combinaison d'un modèle de ruban élastique inextensible et de "slender-body theory" pour la modélisation des efforts visqueux. L'ensemble des méthodes et résultats présentés ici ouvre la voie à une meilleure compréhension de la physique des hélices flexibles. Le dispositif expérimental permet notamment une étude approfondie des interactions entre de telles structures et des écoulements complexes.

The study of the mechanical properties of flexible helical structures and of their interactions with flows is of importance for both fundamental science and technological applications. Better comprehension of the physics of flexible helices is critical to understand the swimming behavior of microorganisms and may lead to better design of flow micro-sensors, micro-swimmers for targeted cargo delivery or nanosprings actuators. In this work, micro-fabrication techniques, optical microscopy, cantilever measurements, microfluidic systems and shape reconstruction by image analysis are combined to build a fully integrated experimental set-up. This set-up allows investigation of the physics of flexible helices, from the characterization of their mechanical properties to the study of their interactions with flows. For the first time, fabrication of highly flexible micron-sized helices with full shape control is reported. Building upon a spontaneous formation technique of helical ribbons, we demonstrate that the creep properties of materials can be leveraged to shape helical ribbons into any desired geometry. The mechanical properties of helical ribbons are then characterized by measuring the force-extension relationship. Taking advantage of the newly achieved control on the helix geometry, influence of the helical pitch on the mechanical response is quantified. Experimental results are found to agree qualitatively and quantitatively with existing models of inextensible elastic strips. Finally, the deformation of helical ribbons in viscous axial flows is studied and influence of the helical pitch is for the first time investigated experimentally. An effective stiffening is highlighted as the pitch increases, which is unexplained by existing models. A new analytical framework is developed and experimental results are found to be well described by a combination of an inextensible elastic strip model and of slender-body theory to model the hydrodynamic forces. Overall the methods and results reported in this work pave the way for a better understanding of the physics of flexible helices. The presented helical ribbons constitute an ideal model system to explore the complex interactions between flexible helical structures and viscous flows.