Matière Active à l'échelle nanométrique

Active Matter at the nanoscale

• Auteur / Autrice : Yoann De figueiredo
• Direction : Jean-Pierre Delville
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Inscription en doctorat le 28/09/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matière molle et biophysique

Mots clés

Mots clés libres

Matière Active

Nano-optique

Physique Statistique (hors equilibre)

Physique des colloïdes

Opto-fluidique

Active Matter

Nano-optics

(Non-equilibrium) Statistical Physics

Colloidal physics

Optofluidics

Résumé

La Matière Active est composée de briques élémentaires qui consomment de l'énergie pour interagir collectivement. Un exemple typique est donné par les organismes biologiques : les cellules convertissent de l'énergie par le biais de nanomoteurs, ce qui permet leur assemblage en structures hiérarchiques complexes [Needleman et al, Nature Reviews Materials, 2017]. D'une manière générale, comprendre comment des processus ayant lieu à faible échelle peuvent générer une action robuste à des échelles bien plus grande est une question centrale en physique et biologie. En ce sens, des travaux récents ont démontré la capacité de particules colloïdales actives de reproduire des comportements émergents analogues aux organismes vivants, comme des mouvements de foule. Cependant, les études ont été focalisées sur l'utilisation de colloïdes micrométriques [Aubret et al., Nature Physics 2018 ; Aubret et al., Curr. Op. Coll. & Int. Sci. 2017], n'ayant pas de capacité d'adaptation fonctionnelle ou morphologique, et limitant ainsi la gamme de comportements dynamiques accessibles à plus grand échelle. Dans ce contexte, le but de cette thèse est d'étudier les possibilités offertes par une réduction des briques élémentaires de matière active à l'échelle nanométrique. Plus spécifiquement, nous étudierons la dynamique hors-équilibre de nanoparticules autopropulsées (20 – 200 nm), pour la création de microstructures fonctionnelles (5 – 100 um). Le principal avantage offert par l'utilisation de nanoparticules est l'augmentation significative de la complexité par unité de volume qui peut être atteinte, avec des ensembles statistiques dans des volumes micrométriques. Du fait de leur petite taille, les nanoparticules ne sédimentent que très peu et ont ainsi le potentiel de s'auto-organiser en 3D en étant hors-équilibre. De fait, elles forment des nanomoteurs - générant des forces à petite échelle – capables de diriger collectivement des structures plus grandes [Vutukuri et al., Nature 2020], d'une manière analogue au fonctionnement des cellules biologiques. Dans ce projet nous étudierons donc la physique de la matière active à l'échelle nanométrique, à la fois aux échelles individuelle et collective, avec un intérêt particulier pour les propriétés statistiques hors-équilibre d'un tel fluide actif [Takatori et al., PRL 2014]. Il s'agit d'un projet expérimental et interdisciplinaire, impliquant des concepts de matière active, d'optofluidique, nano-optique, et physique statistique (hors-équilibre). Afin d'étudier la dynamique de nano-objets en dépit de leur faible taille, nous utiliserons la lumière pour les activer, les sonder, et les contrôler. Nous utiliserons en particulier des techniques de corrélation optique et d'analyse statistique, couplées à de l'imagerie rapide [Wang & Mallouk, ACS Nano 2021]. Le projet implique également des collaborations locales avec des acteurs de l'ICMCB pour la synthèse de nanoparticules [Bai et al., ACS Nano 2021], et du LOMA pour les aspects théoriques. Les objectifs de cette thèse sont de : i) Développer un fluide actif à l'échelle nanométrique à base de nanoparticules autopropulsées et activées par la lumière, afin d'étudier sa dynamique. ii) Implémenter des outils optiques pour contrôler et analyser la dynamique des nanoparticules sur des échelles spatiotemporelles courtes et en échantillons denses. iii) Intégrer ensuite le fluide actif dans des structures micrométriques, afin d'étudier l'effet d'efforts actifs sur la forme des structures, et inversement. D'une manière générale, ce projet résultera sur des expériences nouvelles et fondatrices en matière active, en étudiant les effets de changements de dimension – du 2D à 3D - et de réduction d'échelle, et en cherchant fondamentalement à comprendre comment des nanomoteurs artificiels peuvent coopérer pour générer une action robuste à plus grande échelle.

Active matter is composed of elementary bricks that transduce energy to interact collectively. A prototypical example is given by living systems: nanomotors drive cells, which in turn organize on successive levels of hierarchy [Needleman et al, Nature Reviews Materials, 2017]. Understanding how such small-scale processes can cooperate to generate a robust action across scales is a central question of biology and physics. Recent works have demonstrated the potential of synthetic colloidal particles, to form emergent behaviors such as flocking and crowding. However, studies have been focused on the use of micrometric colloids [Aubret et al., Curr. Op. Coll. & Int. Sci. 2017], which lack functional and morphological modularity. This restrains the range of dynamical behaviors that can be achieved. In this context, the aim of this PhD research project is to explore the opportunities offered by scaling down the building blocks of active matter to the nanoscale. More specifically, we will study the non-equilibrium dynamics of active fluids made of synthetic, self-propelled nanoparticles (NPs, 20 – 200 nm), for the bottom-up creation of functional micromachines (5 - 100 μm). The main advantage of using nanoparticles is the significant increase in complexity per unit volume that can be achieved, with statistical ensembles in micrometric volumes. Due to their small size, nanoparticles also sediment very weakly and have the potential to self-organize in 3D when brought out-of-equilibrium. This suggests nanoparticles as ideal nanomotors to control active stresses at small scale and subsequently drive mesostructures [Vutukuri et al., Nature 2020], akin to cellular machineries. This project investigates the physics of active matter at the nanoscale, through a comprehensive study of the effect of scale reduction on the individual and collective dynamics of active nanoparticles, with a focus on their non-equilibrium statistical properties [Takatori, PRL 2014]. It is experiment-driven, lying at the frontiers of active matter, optofluidics, nano-optics, and non-equilibrium statistical physics. Instrumental to this work will be the use of light as a core tool to activate, probe, and control the dynamics of nanoparticles in spite of their small size. In particular, we will use nano-optical correlation techniques and statistical analysis tools, coupled to fast imaging techniques [Wang & Mallouk, ACS Nano 2021]. The project further involves collaboration with the ICMCB of Bordeaux for the synthesis of nanoparticles [Bai et al., ACS Nano 2021], and members of the LOMA for theoretical developments. The research objectives are the following: i) Develop light-driven and fuel free self-propelled NPs, to build a 3D nanoscale active fluid and study its dynamics. ii) Implement optical tools to control and analyze the dynamics of the NPs on small spatiotemporal scales and in dense samples. iii) Integrate the nanoscale active fluid in soft structure, in order to explore the effect of internal stresses on the geometry of a soft structure, and reciprocally. This project will set new benchmark experiments in Active Matter by uncovering new physics specific to 3D active systems and scale reduction, and by fundamentally addressing how artificial nanomotors can cooperate to generate a robust macroscale action.