Quasicrystal self-assembly in 2D hard sphere mixtures

Auto-assemblage de quasicristaux dans des mélanges 2D de sphères dures

• Auteur / Autrice : Etienne Fayen
• Direction : Giuseppe Foffi, Frank Smallenburg
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Marie Jardat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chantal Valeriani, Christos Likos, Zorana Zeravcic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chantal Valeriani, Christos Likos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Physique statistique

Matière molle (physique)

Mots clés libres

Quasicristaux

Simulations numériques

Physique statistique

Quasicrystals

Numérical simulation

Statistical mechanics

Résumé

Les quasicristaux sont des structures présentant un ordre à longue portée (signalé par la présence de pics de Bragg dans leur diagramme de diffraction), mais sans la périodicité des cristaux traditionnels. L'absence de périodicité leur permet d'adopter des symétries exotiques impossibles sinon. Cet intrigant ordre apériodique a été initialement découvert dans des alliages métalliques. Par la suite, il a aussi été observé dans plusieurs systèmes de matière molle remarquablement divers tels que des assemblages de micelles, polymères ou nanoparticules... Cela suggère que des mécanismes généraux promeuvent son émergence, au delà des détails des constituents microscopiques des systèmes. Dans cette thèse, nous tentons d'identifier de tels ingrédients minimaux en utilisant des simulations numériques pour explorer l'auto-assemblage de quasicristaux dans l'un des systèmes les plus simples : des mélanges binaires de sphères dures, confinées à une interface bidimensionnelle. Nous montrons que des quasicristaux de symétrie 8 et 12 basés sur des pavages aléatoires se forment en effet spontanément dans ce système purement entropique. Contrairement à la plupart des autres modèles utilisés jusqu'à présent, les mélanges binaires quasi-2D de sphères dures pourraient être facilement réalisés dans des expériences de colloides, permettant une étude en temps réel et dans l'espace direct de quasicristaux à l'échelle micrométrique.

Quasicrystals are structures that exhibit long range order (as signalled by sharp Bragg peaks in their diffraction patterns), but that lack the periodicity of traditional crystals, allowing them to adopt exotic symmetries prevented by the strong contraint of periodicity. This puzzling aperiodic order was first discovered in metallic alloys. Later on, it has also been observed in several, very different soft matter systems such as assemblies of micelles, polymer melts or nanoparticles... This suggests that general mechanisms promote its emergence, regardless of the microscopic details of the system constituents. In this thesis, we try to identify such minimal ingredients by using computer simulations to investigate the self-assembly of quasicrystals in one of the simplest models: binary mixtures of hard spheres, confined at a 2D interface. We show that random tiling quasicrystals of symmetry 8 and 12 indeed spontaneously form in this purely entropic system. In contrast to most other models studied so far, quasi-2D binary mixtures of hard spheres could be easily realised in colloidal experiments, allowing direct-space and direct-time study of quasicrystals at the micron scale.