Mouvement collectif en suspensions réactives

Collective motion in reactive suspensions

• Auteur / Autrice : Francisco Rojas perez
• Direction : Sébastien Michelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 27/09/2022
• 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 ; 1990-....)
• Jury : Président / Présidente : Cecile Cottin bizonne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Michelin, Marisol Ripoll, Fernando Peruani, Blaise Delmotte, Eric Keaveny
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marisol Ripoll, Fernando Peruani

Mots clés

Mots clés libres

Suspensions réactives

Cfd

Matière active

Mouvement collectif

Particules phorétiques

Reactive suspensions

Cfd

Active Matter

Collective motion

Phoretic particles

Résumé

Les mouvements collectifs dans les systèmes actifs s'étendent sur de nombreuses échelles physiques, allant des essaims macroscopiques d'oiseaux, aux motifs turbulents microscopiques des suspensions bactériennes. Dans ces systèmes, la présence d'un grand nombre d'éléments actifs, chacun capable de se déplacer de manière autonome en convertissant une énergie bio-chimique en mouvement, induit des motifs collectifs spontanés inattendus de l’observation d’un élément isolé.Au cours des dernières décennies, des particules microscopiques synthétiques auto-propulsées ont été développées pour imiter et étudier leurs homologues naturels, mais aussi pour explorer différentes applications telles que la microchirurgie ou la purification de l'eau, entre autres. Les suspensions réactives en font partie et sont constituées de nombreux de colloïdes chimiquement actifs en suspension dans un fluide, qui modifient la concentration des solutés chimiques qui les entourent pour s'auto-propulser. De cette manière, ils génèrent des écoulements et des gradients chimiques à longue portée qui perturbent les trajectoires d'autres particules. Ces interactions hydrodynamiques et chimiques induisent la formation de structures cohérentes et le développement des mouvements collectifs.Compte tenu de l'échelle de ces particules phorétiques, le problème est régi par l'équation de Laplace pour le champ de concentration et les équations de Stokes pour le champ de vitesse, couplées par les conditions aux limites physico-chimiques à la surface des particules. La modélisation numérique de telles suspensions reste particulièrement difficile compte tenu de la nature couplée des interactions hydro-chimiques et de l'augmentation rapide des ressources de calcul nécessaires pour de grands ensembles de particules.Dans cette thèse, un nouveau cadre appelé Diffusiophoretic Force Coupling Method (DFCM) est proposé, capable de gérer à la fois les problèmes de diffusion chimique et de écoulements de Stokes pour un grand nombre de particules. Il est basé sur les idées fondamentales de la Force Coupling Method, qui est une expansion multipolaire régularisée. Au lieu de s'appuyer sur les fonctions de Green des opérateurs de Laplace et de Stokes pour obtenir les signatures de particules en le champ lointain, la DFCM s'appuie sur des moyennes de volume basées sur la grille du champ de concentration pour calculer les moments de concentration de surface des particules. Ces moments définissent les multipôles chimiques du problème de Laplace modifié fournissent le forçage de nage du problème de Stokes.La précision de la DFCM est évaluée par rapport à des solutions numériques exactes et précises pour quelques cas canoniques d’interaction de paires de particules. Ses améliorations par rapport aux approximations en champ lointain pour une large gamme de distances inter-particules sont quantifiées, obtenant de meilleurs résultats pour des distances supérieures à un demi-rayon, pertinentes pour les suspensions diluées et semi-diluées.Dans la deuxième partie de cette thèse, une implémentation hautement scalable de la nouvelle DFCM est réalisée pour modéliser des suspensions réactives semi-diluées. En fonction des propriétés individuelles des particules, un large spectre de structures cohérentes est observé, y compris de petits agrégats d'existence éphémère, aussi bien que des agrégats persistants de taille petite ou grande. Un mouvement chaotique est observé dans les populations de particules libres et de petits ensembles, tandis qu'un mouvement balistique dans le cas de gros agrégats.Ces motifs ont été classés en cinq régimes sur la base de leur micro-structure et des caractéristiques du mouvement collectif. Une analyse des résultats de cette thèse apportent de nouvelles informations sur la façon dont les propriétés individuelles des particules et leurs interactions, ainsi que la fraction volumique de la suspension conditionnent les régimes émergents et les transitions entre eux.

Collective motion of active systems spans many physical scales from macroscopic flocks of birds and nice whirlpools of fish schools, to microscopic turbulent patterns of swimming bacteria and group strategies of spermatozoa to be more efficient. In these systems the presence of a large number of active elements, that are able to move autonomously by converting biochemical energy into motion, induces collective patterns that emerge spontaneously that are unexpected just by looking one of them isolated.In the last decades synthetic self-propelled microscopic particles have been developed to mimic and study their natural counterparts but also to explore different applications like microsurgery, water purification or the development of new materials with tunable properties. Reactive suspensions are one of them and consist of large numbers of chemically-active colloids suspended in a fluid, which modify the concentration of chemical solutes surrounding them in order to self-propel. By doing so, they generate long-ranged hydrodynamic flows and chemical gradients that perturb the trajectories of other particles. These hydrodynamic and chemical interactions induce the formation of coherent structures and the development of collective motion.Given the scale of these phoretic particles, the problem is governed by the Laplace equation for the concentration field and the Stokes equations for the velocity field, both coupled by the boundary conditions on the particles’ surfaces. The numerical modeling of such suspensions remains particularly challenging given the coupled nature of the hydro-chemical interactions and the rapid increase in the required computational resources for large numbers of particles.In this thesis, a new framework called Diffusiophoretic Force Coupling Method (DFCM) is proposed which is able to handle both the chemical diffusion and Stokes flow problems for a large number of particles. It is based on the core ideas of the Force Coupling Method, which is a regularized multipole expansion for hydrodynamics problems used in the study of colloidal particles. Instead of relying on the Green’s functions of the Laplace and Stokes operators to obtain the particle signatures in the far-field, DFCM relies on grid-based volume averages of the concentration field to calculate the particle surface concentration moments. These moments define the chemical multipoles of the modified Laplace problem and provide the swimming forcing of the Stokes problem.The precision of DFCM is evaluated against exact and accurate numerical solutions for a few canonical cases using particle pairs. Its improvements over far-field approximations for a wide range of inter-particle distances are quantified, obtaining better results for distances larger than half a radius which is something relevant for dilute and semi-dilute suspensions. Another advantage of the method lies in its linear scalability with the number of particles.In the second part of this thesis, a highly scalable implementation of the new DFCM is performed to study collective motion within semi-dilute reactive suspensions. Depending on the particles’ individual properties, a wide range of coherent structures is observed including small clusters of short-lived existence as well persistent clusters of small or big size. Chaotic motion is observed in the population of free particles and small clusters, while collective ballistic motion in the case of big clusters.The resulting suspension patterns were classified into five regimes considering their micro-structure and collective motion. An analysis of these results brings new insights on how the individual properties of the particles and their interactions, as well the volume fraction of the suspension condition the emerging regimes and the transitions between them.