Modélisation de séparation de phase hors d'équilibre

Modelling out of equilibrium phase separation

• Auteur / Autrice : Jacques Fries
• Direction : Vincent Dahirel, Pierre Illien
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physicochimie des Électrolytes et Nanosystèmes interfaciaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Modélisation et Expériences Multi-échelles

Mots clés

Mots clés libres

Separation de phases

Hors d'équilibre

Modélisation

Simulation

Phase separation

Out of equilibrium

Modelling

Simulation

Résumé

Les polymères ou les particules colloïdales peuvent augmenter localement la concentration de solutés dans une zone restreinte autour de leur surface. Des interactions intermoléculaires (par exemple les interactions coulombiennes) ou des réactions chimiques, catalysées par les monomères ou par des sites de surface des particules colloïdales, peuvent conduire à cette condensation. Ces situations peuvent donner lieu à de grandes hétérogénéités de la densité de soluté. Une telle organisation locale du système présente des propriétés des transitions de phase liquide-gaz. Notre équipe s'intéresse particulièrement à l'influence de la structure du nuage de petits solutés sur la dynamique de colloïdes ou de polymères. Dans un travail récent, nous avons proposé et étudié numériquement un modèle pour un colloïde isotrope dans un bain de particules de soluté pouvant localement subir une transition de phase, par une réaction chimique hors-équilibre. En raison de la coexistence des phases, de fortes fluctuations de densité peuvent apparaître et augmenter considérablement le coefficient de diffusion du colloïde. Nous avons ainsi construit un modèle de matière active en induisant une transition de phase locale autour d'objets propulsés. Ce mécanisme ouvre de nombreuses voies d'étude pour des systèmes plus complexes où la transition de phase des solutés peut se conjuguer à la séparation mésoscopique de phases des particules actives elles-mêmes. L'énergie captée par les particules actives peut entraîner des propriétés structurales et dynamiques très originales qui peuvent être mises en évidence et analysées grâce aux méthodes de simulations numériques modernes. Nous proposons donc un sujet qui s'inscrit à l'interface entre deux champs très actifs ces dernières années, celui de la matière active, et celui des séparations de phase liquide-liquide en biologie cellulaire. Nous proposons des modélisations originales qui peuvent apporter des éclairages profondément nouveaux, permises par des familles de simulation en physico-chimie dont notre équipe a une rare expertise. Cette expertise a été reconnue dans la constitution d'un consortium européen associant des collègues de l'université de Cambridge, de Barcelone, de Vienne et de Lubjana. Ce consortium a déposé un projet de réseau européen (International Training Network) dans le domaine des séparations de phases en biologie, qui après un premier refus sera retravaillé et resoumis l'année prochaine.

Polymers or colloidal particles can locally increase the concentration of solutes in a restricted area around their surface. Intermolecular interactions (e.g. coulombic interactions) or chemical reactions, catalyzed by the monomers or by surface sites of the colloidal particles, can lead to this condensation. These situations can give rise to large heterogeneities in solute density. Such a local organization of the system shows properties of liquid-gas phase transitions. Our team is particularly interested in the influence of the structure of the small solute cloud on the dynamics of colloids or polymers. In a recent work, we have proposed and numerically studied a model for an isotropic colloid in a bath of solute particles that can locally undergo a phase transition, through a non-equilibrium chemical reaction. Due to the coexistence of the phases, strong density fluctuations can appear and increase considerably the diffusion coefficient of the colloid. We have thus built a model of active matter by inducing a local phase transition around propelled objects. This mechanism opens many avenues of study for more complex systems where the phase transition of solutes can be combined with the mesoscopic phase separation of the active particles themselves. The energy captured by the active particles can lead to very original structural and dynamical properties that can be highlighted and analyzed using modern numerical simulation methods. We therefore propose a subject that lies at the interface between two very active fields in recent years, that of active matter, and that of liquid-liquid phase separations in cell biology. We propose original models that can bring profoundly new insights, enabled by families of simulation in physical chemistry which our team has a rare expertise. This expertise has been recognized in the constitution of a European consortium associating colleagues from the University of Cambridge, Barcelona, Vienna and Lubjana. This consortium has submitted a project for a European network (International Training Network) in the field of phase separation in biology, which after a first refusal will be reworked and resubmitted next year.