Emergence and collective phenomena in chiral microswimmer suspensions

Emergence et phénomènes collectifs dans des suspensions chirales de micronageurs

• Auteur / Autrice : Sotiris Samatas
• Direction : Juho S Lintuvuori, Alois Würger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Hamid Kellay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simon Villain-Guillot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Chantal Valeriani, Rik Wensink

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (matière)

Suspensions (chimie)

Chiralité (physique)

Synchronisation

Reynolds, Nombre de

Mots clés libres

Synchronisation

Micronageurs

Chiral

Flux à faible nombre de Reynolds faible

Emergence

Phénomènes collectifs

Synchronisation

Microswimmers

Chiral

Low Reynolds number flows

Emergence

Collective phenomena

Résumé

Nous étudions les phénomènes collectifs dans les suspensions en bulk de micronageurs sphériques à trajectoires chirales en utilisant des simulations numériques à grande échelle. Le modèle est générique. Il correspond à la solution d'ordre le plus bas d'un modèle général d'autopropulsion à nombres de Reynolds faibles, constitué d'un dipôle source rotatif non axisymétrique. Nous montrons que les nageurs purement circulaires et hélicoïdaux peuvent spontanément synchroniser leur rotation. L'état synchronisé correspond à un alignement des vitesses avec un ordre d'orientation élevé dans les directions polaire et azimutale. Pour illustrer la robustesse de l'état synchronisé, nous considérons un mélange racémique de nageurs hélicoïdaux où la synchronisation intra-espèce est observée tandis que le système reste comme un fluide spatialement uniforme. Nos résultats démontrent la synchronisation hydrodynamique en tant que phénomène collectif naturel pour les micronageurs à trajectoires chirales. Une fois la synchronisation atteinte, nous montrons que le système peut manifester des comportements collectifs post-synchronisation complexes impliquant séparation de phase et propagation d'ondes d'ordre polaire local. Nos observations fournissent une base convaincante pour les recherches futures sur les flux collectifs émergents et la diffusivité augmentée induite a cause de l'activité dans les suspensions de micronageurs chiraux.

We study collective phenomena in bulk suspensions of spherical microswimmers with chiral trajectories using large scale numerics. The model is generic. It corresponds to the lowest order solution of a general model for self-propulsion at low Reynolds numbers, consisting of a nonaxisymmetric rotating source dipole. We show that both purely circular and helical swimmers can spontaneously synchronize their rotation. The synchronized state corresponds to velocity alignment with high orientational order in both the polar and azimuthal directions. To exemplify the robustness of the syncronised state, we consider a racemic mixture of helical swimmers where intraspecies synchronization is observed while the system remains as a spatially uniform fluid. Our results demonstrate hydrodynamic synchronization as a natural collective phenomenon for microswimmers with chiral trajectories. Once synchronisation is attained, we show that the system can manifest complex post-synchronisation collective behaviour involving phase separation and the propagation of waves with local polar order. Our observations provide a compelling basis for future research on emerging collective flows and activity-driven enhanced diffusivity in chiral microswimmer suspensions.