La phorèse est un mécanisme physico-chimique par lequel certains colloïdes microscopiques dérivent à travers les gradients d'un champ de concentration de soluté dans un fluide. Ce mécanisme est exploité par des particules autophorétiques, ou colloïdes actifs chimiquement, pour auto-propulser. Ces particules influencent les mouvements de leurs voisines par le biais d'interactions chimiques et hydrodynamiques et sont donc étudiées pour leur comportement collectif. La modélisation de ces interactions a fait l'objet de recherches approfondies au cours des dernières années, à la fois d'un point de vue physique pour comprendre les mécanismes précis des interactions, et d'un point de vue expérimental pour expliquer les observations de la formation de structures cohérentes à grande échelle. Cependant, une modélisation exacte de ces suspensions actives est difficile en raison des interactions à grand nombre de particules. Jusqu'à présent, la plupart des modèles proposés reposent sur la superposition d'approximations de champ lointain pour les signatures chimiques et hydrodynamiques de chaque particule, qui ne sont valides que de manière asymptotique dans la limite de suspensions très diluées. Un cadre analytique systématique et unifié basé sur la méthode classique de réflexion (MoR) est développé ici pour les problèmes de Laplace et de Stokes afin d'obtenir les interactions entre particules phorétiques et les vitesses résultantes avec un ordre de précision arbitraire en terme du rapport du rayon et de la distance typique entre deux particules voisines.Un système comprenant uniquement des particules autophorétiques homogènes et isotropes chimiquement et géométriquement est ensuite considéré en détail. On sait que de telles particules isotropes ne peuvent se propulser seules; cependant, en présence d'autres particules identiques, la symétrie du champ de concentration est brisée et les particules forment spontanément des agrégats ou clusters denses. De manière remarquable, ceux-ci peuvent s'auto-propulser si leur arrangement est présente une asymétrie. Ce résultat identifie donc une nouvelle voie pour briser la symétrie du champ de concentration et ainsi générer un mouvement, qui ne repose pas sur une conception anisotrope des particules individuelles, mais sur les interactions collectives de particules actives identiques et homogènes. Un argument pour l'origine de ce comportement auto-propulsif des clusters, basé sur la MoR, est proposé. De plus, en utilisant des simulations numériques complètes combinées à un modèle théorique réduit, nous caractérisons les propriétés statistiques de l'autopropulsion. / Diffusiophoresis is a physico-chemical mechanism by which certain microscopic colloids drift through gradients of a solute concentration field in a fluid. This mechanism is exploited by autophoretic particles, which are chemically active synthetic colloids, to achieve self-propulsion. These particles influence each others' motion through chemical and hydrodynamic interactions and are hence known to exhibit collective behaviour. Modeling these interactions is a subject of intense research over the past decades, both from a physical perspective to understand the precise mechanisms of the interactions, as well as from an experimental point of view to explain the observations of formation of coherent large-scale structures. However, an exact modeling of is difficult due to multi-body interactions and surface effects. Most efforts so far rely on the superposition of far-field approximations for each particle's signature, which are only valid asymptotically in the dilute suspension limit. A systematic and unified analytical framework based on the classical Method of Reflections (MoR) is developed here for both Laplace and Stokes' problems to obtain the multi-body interactions and the resulting velocities of phoretic particles, up to any order of accuracy in the radius-to-distance ratio of the particles.A system comprising only of chemically- and geometrically-isotropic autophoretic particles is then considered in detail. It is known that such isotropic particles cannot self-propel in isolation; however, in the presence of other identical particles, the symmetry of the concentration field is broken and the particles spontaneously form close packed clusters. Remarkably, these clusters are observed to self-propel based on their geometric arrangement. This result thus identifies a new route to symmetry-breaking for the concentration field and to self-propulsion, that is not based on an anisotropic design, but on the collective interactions of identical and homogeneous active particles. An argument for origin of this self-propulsive behaviour of clusters is made based on MoR. Furthermore, using full numerical simulations and theoretical model for clustering, we characterize the statistical properties of self-propulsion of the system.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2019SACLX109 |
| Date | 14 November 2019 |
| Creators | Varma, Akhil |
| Contributors | Université Paris-Saclay (ComUE), Michelin, Sébastien |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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