Dynamique collective et rhéologie des suspensions phorétiques sous forçages mécaniques et chimiques externes

Collective dynamics and rheology of phoretic suspensions under external mechanical and chemical forcings

• Auteur / Autrice : Prathmesh Vinze
• Direction : Sébastien Michelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 12/09/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1990-....) - Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX
• Jury : Président / Présidente : Éric Clément
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Michelin, Holger Stark, Cécile Cottin-Bizonne, Thomas Bickel, Sara Jabbari-Farouji
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Holger Stark, Cécile Cottin-Bizonne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Particules Janus

Suspensions (chimie)

Mots clés libres

Ecoulements visqueux

Suspensions

Micronageurs

Dynamique collective

Viscous flows

Suspensions

Microswimmers

Collective dynamics

Résumé

La matière active est composée d’unités individuelles qui injectent de l’énergie dans le système conduisant à des dynamiques collectives non triviales. Cette thèse se concentre sur un type de micronageurs artificiels appelés particules Janus. Ces particules peuvent interagir à la fois à travers le champ d’écoulement et le champ de soluté, donnant lieu à la formation de modèles spatio-temporels complexes (tels que la formation d’asters). Des expériences rhéologiques récentes révèlent que la suspension de tels micronageurs influence fortement la réponse rhéologique de la suspension et conduit à une diminution de la viscosité effective de la suspension. La première partie de la thèse explore numériquement la dynamique et la réponse au cisaillement des particules phorétiques en suspensions diluées et confinées, qui se réorientent et dérivent vers des solutés chimiques libérés par leurs voisines à l’aide d’un modèle cinétique continu. Une distribution transitoire 1D pilotée par l’effet de confinement est une caractéristique commune aux intensités de confinement et de taux de cisaillement considérées. Cet état 1D est stable pour un confinement fort et s’observe donc en dynamique à long terme dans des canaux suffisamment étroits. Pour les canaux plus larges, l’état transitoire devient instable aux perturbations axiales dues à l’instabilité chimiotactique, conduisant à la formation d’agrégats de particules le long des parois du canal. En exerçant des contraintes sur le fluide, ces micro-nageurs modifient le comportement rhéologique des suspensions qui dépend de la répartition des particules.La deuxième partie de la thèse s’intéresse au contrôle du comportement rhéologique de la suspension. Dans cette partie, l’idée centrale est d’utiliser le forçage chimique pour d´déclencher l’instabilité chimiotactique de telle sorte que des agrégats de particules puissent se former et réduire la viscosité effective. Nous explorons ici le forçage chimique via un patch catalytique et montrons qu’imposer simultanément une activité et un cisaillement a des limites à des taux de cisaillement modérées, où l’instabilité chimiotactique ne peut pas se développer dans l’ensemble du domaine. Pour résoudre ce problème, nous proposons une stratégie plus robuste qui étend la région de réduction de la viscosité à des confinements plus élevés.

Active matter is composed of individual units that inject energy into the system leading to nontrivial collective dynamics. This thesis focuses on a type of artificial microswimmers called as Janus particles. These particles can interact through both the flow field and the solute field, giving rise to the formation of complex spatiotemporal patterns (such as the formation of asters). Recent rheological experiments reveal that the suspension of such microswimmers strongly influences the rheological response of the suspension and leads to a decrease in the effective viscosity of the suspension. The first part of the thesis numerically explores the dynamics and shear response of dilute and confined suspensions phoretic particles, which reorient and drift towards chemical solutes released by their neighbors using a continuum kinetic model. A 1D transient distribution driven by the confinement effect is a common feature at the considered confinement and shear rate intensities. This 1D state is stable for strong confinement and is therefore observed in the long-term dynamics in sufficiently narrow channels. For wider channels, the transient state becomes unstable to axial perturbations due to chemotactic instability, leading to the formation of particle aggregates along the channel walls. As these microswimmers exter stresses on the fluid, they modify the suspensions’ rheological behaviour which depends on particle distribution. The second part of the thesis focuses on controlling rheological behaviour of the suspension. In this part, the central idea is to use chemical forcing to trigger the chemotactic instability such that particle aggregates can form and reduce the effective viscosity. Here we explore the chemical forcing via a catalytic patch and show that imposing activity and shear simultaneously has limitations at moderate shear rates, where chemotactic instability cannot develop in the entire domain. To address this issue, we propose a more robust strategy that extends the viscosity reduction region to higher confinements.