Matière active scalaire à travers les échelles

Scalar active matter across scales

• Auteur / Autrice : Alberto Dinelli
• Direction : Julien Tailleur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/07/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Monthus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ada Altieri, Etienne Fodor, Vincent Démery
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexander Morozov, Eric Bertin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Biophysique

Physique statistique

Matière active (physique)

Mots clés libres

Matière active

Physique hors de l'équilibre

Separation de phase induite par la motilité

Physique statistique

Comportement collectif

Biophysique

Mélanges actifs

Transitions de phases

Ecologie théorique

Active matter

Out-Of-Equilibrium physics

Motility-Induced phase separation

Statitstical physics

Collective behavior

Biophysics

Active mixtures

Phase transitions

Theoretical ecology

Résumé

La matière active englobe les systèmes hors d'équilibre dont les constituants microscopiques exercent des forces d'auto-propulsion non conservatives sur leur environnement. L'auto-organisation des unités actives en structures complexes est observée à toutes les échelles dans le monde vivant, des écosystèmes bactériens aux groupes d'oiseaux. De plus, ces dernières années, les physiciens et les chimistes ont été capables de concevoir des particules synthétiques capables d'auto-propulsion, telles que les colloïdes de Janus auto-phorétiques ou les rollers de Quincke, ouvrant ainsi la voie à la réalisation de matériaux actifs intelligents. À cet égard, comprendre le lien entre la dynamique microscopique des particules actives et leurs propriétés à grande échelle est un problème crucial tant pour la biologie que pour l'ingénierie bio-mimétique. Dans ce manuscrit, nous comblons cette lacune pour un certain nombre de systèmes actifs scalaires, i.e. des systèmes actifs dont le seul mode hydrodynamique à grande échelle est le champ de densité. En particulier, une grande partie du manuscrit est consacrée aux systèmes actifs à plusieurs composants, ou mélanges actifs, dont l'étude est pertinente pour obtenir des descriptions plus réalistes des communautés biologiques: des écosystèmes animaux aux colonies bactériennes, la polydispersité est omniprésente dans les systèmes vivants. Le manuscrit est structuré comme suit. Dans le chapitre 1, nous présentons une revue méthodologique sur les techniques de coarse-graining dans les systèmes actifs scalaires. Ces méthodes sont ensuite appliquées dans le chapitre 2 pour caractériser le comportement à grande échelle de particules actives en présence de différents mécanismes tactiques. La deuxième partie de la thèse est consacrée aux comportements collectifs dans les systèmes actifs scalaires en interaction. Dans le chapitre 3, nous étudions la régulation de la motilité non réciproque dans les mélanges binaires de particules actives, révélant l'impact de la non-réciprocité microscopique sur l'organisation macroscopique du système. Suivant cette ligne, dans le chapitre 4, nous considérons un écosystème bactérien où un grand nombre d'espèces coexistent ensemble, révélant comment une infime régulation de la motilité aléatoire peut suffire à favoriser la formation de communautés bactériennes distinctes. Pour conclure, dans le chapitre 5, nous passons de la matière biologique à la matière active synthétique, en étudiant un modèle de bâtonnets de Quincke autopropulsés. En particulier, nous montrons comment ces particules subissent une transition de condensation arrêtée, où la compétition entre quorum sensing et répulsion stérique est cruciale pour stabiliser les phases coexistantes.

Active matter encompasses out-of-equilibrium systems whose microscopic constituents exert non-conservative self-propulsion forces on their environment. The self-organization of active units into complex structures is observed at all scales in the living world, from bacterial ecosystems to flocks of birds. Furthermore, in recent years, physicists and chemists have been able to engineer synthetic particles capable of self-propulsion, such as self-phoretic Janus colloids or Quincke rollers, thus paving the way towards the realization of smart active materials. In this regard, understanding the link between the microscopic dynamics of active particles and their large-scale properties is a crucial problem for both biology and bio-inspired engineering. In this manuscript, we bridge this gap for a number of scalar active systems, i.e. active systems where the only large-scale hydrodynamic mode is the conserved density field. In particular, a large part of the manuscript is devoted to multi-component active systems---or active mixtures---whose study is relevant to achieve more realistic descriptions of biological communities: from animal ecosystems to bacterial colonies, polydispersity is ubiquitous in living systems. The manuscript is structured as follows. In Chapter 1 we provide a methodological review of coarse-graining techniques in scalar active systems. These methods are then applied in Chapter 2 to characterize the large-scale behaviors of non-interacting active particles with different tactic mechanisms. The second part of the thesis is devoted to collective behaviors in interacting scalar active systems. In Chapter 3 we study the impact of non-reciprocal motility regulation in binary mixtures of active particles, and show how the microscopic non-reciprocity affects the macroscopic organization of the system. Following this line, in Chapter 4 we consider a bacterial ecosystem where a large number of species coexist, revealing how weak, random motility regulation can be sufficient to promote the formation of distinct bacterial communities. To conclude, in Chapter 5 we shift from biological to synthetic active matter, studying a model for self-propelled Quincke rods. In particular, we show how these rods can undergo an arrested condensation transition, where the interplay between quorum-sensing and steric repulsion is crucial to stabilize the coexisting phases.