Auto-assemblage de cristaux et de quasicristaux dans la matière granulaire

Self-assembly of crystals and quasicrystals in granular matter

• Auteur / Autrice : Raphaël Maire
• Direction : Giuseppe Foffi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Solides
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Matière granulaire

Matiere molle

Mecanique statistique

Auto-assemblage

Granular sytems

Statistical mechanics

Self assembly

Soft matter

Résumé

Après des décennies d'études, l'auto-assemblage d'atomes, de molécules et de particules colloïdales est bien compris et (en principe) prévisible grâce aux concepts de la mécanique statistique à l'équilibre. Cependant, les règles d'auto-organisation des systèmes hors équilibre sont beaucoup moins claires. Dans ce projet, nous proposons d'explorer la formation de cristaux et de quasi-cristaux dans des systèmes granulaires constitués d'une couche de sphères millimétriques, de deux tailles différentes, sur une plaque vibrante. Des simulations préliminaires montrent que, de manière analogue aux systèmes simples de sphères dures bidimensionnelles, ces billes peuvent s'auto-organiser en phases cristallines binaires. De plus, les simulations d'un système thermique analogue constitué de simples sphères dures sur un plan, laissent présager l'auto-assemblage de phases quasicristallines. En combinant la théorie, l'expérience et les simulations informatiques, nous explorerons quelles phases cristallines peuvent se former dans ces systèmes, comment leur comportement d'auto-organisation se compare à celui des systèmes à l'équilibre, et si nous pouvons induire la formation de quasicristaux à l'échelle granulaire. Ce projet apportera de nouvelles connaissances sur la dynamique de l'auto-organisation dans les systèmes complexes hors équilibre, et ouvrira de nouvelles voies pour contrôler la structure des matériaux granulaires.

After decades of study, the self-assembly of atoms, molecules, and colloidal particles is well- understood, and (in principle) predictable using concepts from equilibrium statistical mechanics. However, the rules of self-organization for out-of-equilibrium systems are much less clear. In this project, we propose to explore crystal and quasicrystal formation in granular systems consisting of a layer of millimeter-scale spheres, of two different sizes, on a vibrating plate. Preliminary simulations show that, analogous to simple two-dimensional hard-sphere systems, these beads can self-organize into binary crystal phases. Additionally, simulations of an analogous thermal system consisting of simple hard spheres on a plane, foreshadow the self-assembly of quasicrystal phases. Combining theory, experiment, and computer simulations, we will explore what crystal phases can form in these systems, how their self-organization behavior compares to equilibrium systems, and whether we can induce quasicrystal formation on the granular scale. This project will bring new insights into the dynamics of self-organization in complex out-of-equilibrium systems, and will open up new ways to control the structure of granular materials.