This thesis uses theory and simulation to elucidate the principles and mechanisms that govern the thermodynamics, material science, and rheology of biological anisotropic soft matter that are involved in growth/self-assembly/material processing in plant cell walls, a multi-functional biological fibrous composite. The plant cell wall can be considered as a reinforced biological membrane consisting of cellulose microfibrils (CMFs) of high tensile strength embedded in a polysaccharide matrix. These CMFs in the extracellular matrix are oriented instrategic directions and generate commonly observed textures such as line, ring, helix, crossed helix and helicoids. The orientation of CMFs governs the physical properties of wood, controls the shape of the cell and contributes to themorphology at the tissue and organ level. Two models are used in this thesis, depending on the concentration of CMFs.At concentration of CMFs below Onsager critical limit, we develop an integrated mechanical model that describes nematic liquid crystalline self-assembly of rigid fibers on an arbitrarily curved 2D fluid membrane to demonstrate the possibility of the CMF orientation imparted by the interaction between membrane curvature and embedded fiber order. This curvature driven planar self assembly model can predict and explain the observed line, ring and helical cell wall textures. These predictions are partially validated through available experimental observations. An integrated shape and nematic order equation developed in this thesis gives a complete model whose solution describes the coupled membraneshape and fiber order state. The validated model is then used to analyze the structure and mechanics of biological and biomimetic fiber-laden membranes of variable curvature. The statics of anisotropic fiber-laden membranes developed inthis model is integrated with the planar nematodynamics of fibers and the dynamics of isotropic membranes to formulate a viscoelastic model to study dynamic remodeling of plant cell wall during growth and morphogenesis. The novel coupling between in-plane fiber orientation and order and membrane curvature formulated this thesis has the potential to open up a novel venue to control two dimensional anisotropic soft matter with tailored functionalities. When the concentration of the CMFs exceeds Onsager's critical fiber concentration threshold, the interaction between these CMFs results in theiralignment in a specific direction as an attempt to minimize the excluded volume of the CMFs. A mathematical model based on the Landau–de Gennes theory of liquid crystals is used to simulate defect textures arising in the domain of chiralself-assembly due to the presence of secondary phases such as pit canal and cell lumens. In addition to providing information on material properties and length scales that cannot be experimentally measured in vivo, the simulated transient defect pattern confirms for first time the long postulated formation mechanism of helicoidal plywoods through liquid crystalline self-assembly. The model is further extended to investigate defect textures and liquid crystalline (LC) phases observed in polygonal arrangement of cylindrical particles embedded in a cholesteric liquid crystal matrix. These validated findings provide a comprehensive set of trends and mechanisms that contribute to the evolving understanding of biological plywoods and serve as a platform for future biomimetic applications.The integration of soft matter physics theories and models with actual biological data for plant cell walls provides a foundation for understanding growth, form, and function and a platform for biomimetic innovation. / Cette thèse utilise la théorie et la simulation pour élucider les principes et mécanismes qui gouverne la hermodynamique, la science des matériaux, et la rhéologie de la matière biologique molle anisotropique qui est impliquée dans ledéveloppement/auto-assemblage/la transformation des parois cellulaires de plantes, un composite biologique fibreux multifonctionnel. Les parois cellulaires de plantes peuvent être considérées comme des membranes biologiques renforcées consistant en des microfibres de cellulose (CMFs) de hautes ténacités contenues dans une matrice de polysaccaride. Ces CMFs dans la matrice extracellulaire sont orientés dans une direction stratégique hélices et des hélicoïdes. L'orientation des CMFs gouverne les propriétés physiques du bois et contrôle la forme des cellules. Deux modèles sont employés dans cette thèse dépendamment de la concentration en CMFs. A la concentration de CMFs dessous la limite critique de Onsager, nous développons un modèle mécanique intégré qui décrit un auto-assemblage de fibres rigides de type cristal liquide nématique sur une membrane courbée bidimensionnelle arbitraire afin de démontrer la possibilité de l'orientation des CMFs indue par les interactions entre la courbature de la membrane et l'organisation fibrillaire intrinsèque. Cette auto-assemblage planaire indus par la courbature peut prédire et expliquer les lignes, annaux et textures hélicoïdales observées dans les parois cellulaires. Ces prédictions sont partiellement validées au travers d'observations expérimentales publiés. Une équation décrivant l'ordre nématique et la forme intégrée qui a été développé dans cette thèse fournis un modèle complet dont la solution décrit le couplage entre l'alignement des fibres et la forme de la membrane. Le model validé est par la suite utilisé à fin d'analyser la structure et la mécanique de membrane fibreuses biologiques et biomimétiques de courbatures variables. La statique des membranes fibreuses anisotropes développés dans ce modèle est intégrée avec la némato-dynamique planaire des fibres et la dynamique des membranes isotropes afin de formuler un modèle viscoélastique pour étudier le remodelage dynamique des CMF durant leur développement et morphogénèse. Le nouveau couplage entre l'orientation fibrillaire planaire et l'ordre ainsi que la courbature de la membrane formulé dans cette thèse à le potentiel d'ouvrir de nouvelles avenues pour contrôler l'ordre bidimensionnel de matière molle selon des propriétés bien définies. Quand la concentration en CMFs excède la limite critique en fibre de Onsager, l'interaction entre les CMFs résulte en un alignement dans une direction spécifique qui tente de minimiser le volume exclu de CMFs. Un modèle mathématique basé sur la théorie de Landau de Gennes des cristaux liquides est utilisé pour simuler les textures de défauts survenant dans un chirale d'auto assemblage du à la présence de phases secondaires tel que les lumens cellulaires. En plus de fournir de l'information sur les propriétés matériels et les ordres de grandeurs qui ne peuvent être mesuré expérimentalement in vivo, les motifs des défauts transitoires simulés confirment pour la première fois le mécanisme de formation des assemblages hélicoïdaux. Le modèle est de plus étendu pour investiguer les textures de défauts et les phases liquides cristallines (LC) observées dans les arrangements polygonaux de particules cylindriques inclus dans des matrices de cristaux liquide cholestériques. Ces découvertes validées fournissent un ensemble de mécanismes qui contribues à faire évoluer la compréhension des assemblages lamellaires biologiques et servent de plateforme pour de futur développement d'applications biomimétiques. L'intégration des théories et des modèles de la matière molle avec des données biologique concrète pour les parois cellulaires fournissent des fondement pour la compréhension du développement, de formation et fonctionnalité ainsi qu'une plateforme pour l'innovation biomimétique
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.117093 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Murugesan, Yogesh Kumar |
| Contributors | Alejandro D Rey (Supervisor1), Damiano Pasini (Supervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Chemical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
Page generated in 0.0032 seconds