Thèse soutenue

Solides actifs élastiques : mouvements collectifs, actuation collective & polarisation

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Auteur / Autrice : Paul Baconnier
Direction : Olivier Dauchot
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 23/01/2023
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Gulliver (Paris) - Gulliver (UMR 7083)
établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
Jury : Président / Présidente : Hamid Kellay
Examinateurs / Examinatrices : Olivier Dauchot, Denis Bartolo, Silke Henkes, Françoise Brochard-Wyart, Vincenzo Vitelli
Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Bartolo, Silke Henkes

Résumé

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Les solides actifs sont constitués d'unités hors équilibre couplées élastiquement. Ils sont centraux dans de nombreux processus biologiques comme la locomotion, les oscillations spontanées et la morphogenèse. De plus, leurs propriétés mécaniques et leur capacité à fournir du travail permettent d'imaginer de nouveaux métamatériaux, multifonctionnels, et dotés d'une véritable autonomie. Néanmoins, les mécanismes de rétroaction entre les forces actives et élastiques et la possible émergence de comportements collectifs, restent encore peu explorés. En tirant profit d'unités actives centimétriques, nous construisons une réalisation minimale de solide actif élastique. Les unités actives polaires exercent des forces sur les nœuds d'un réseau élastique bidimensionnel, et le champ de déplacement induit réoriente non-linéairement les agents actifs. De ce couplage, dit élasto-actif, émergent quantités de nouveaux comportements. Dans la première partie, nous montrons que, pour un faible couplage, la présence de modes zéros dicte la nature et la géométrie des comportements collectifs. Sans conditions aux limites, les solides actifs fournissent ainsi un moyen de mettre en mouvement collectif une population d'unités actives couplées rigidement. Dans un second temps, nous constatons, pour un couplage suffisamment grand, l'émergence d'une oscillation collective des nœuds du réseau autour de leurs positions d'équilibres. Nous appelons ce phénomène l'actuation collective. Seuls quelques modes élastiques sont activés et, de manière cruciale, ils ne sont pas nécessairement les modes de plus basses énergies. En combinant des expériences modèles avec l'analyse numérique et théorique d'un modèle d'agents, nous expliquons le scénario de bifurcation et le mécanisme de sélection par lequel l'actuation collective a lieu. Nous proposons une théorie hydrodynamique des solides actifs pour décrire leurs propriétés à grande échelle, et analysons certaines de ses conséquences. En jouant avec les propriétés de vibrations du réseau, nous explorons également la grande variété d'actuations collectives, et mettons en évidence les paramètres qui contrôlent la dynamique. Enfin, nous étudions la manière dont le couplage avec un champ extérieur polarise les solides actifs et affecte l'émergence de l'actuation collective. En définitive, au-delà de la compréhension de notre système particulier, ce manuscrit tente d'établir les fonctions mécaniques de la matière active à grande échelle.