Matière active et écoulements : jets de bactéries et nageurs interfaciaux

par Ronan Kervil

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Christophe Ybert et de Florence Raynal.

Soutenue le 26-03-2018

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Lumière Matière (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Joly.

Le jury était composé de François Nadal.

Les rapporteurs étaient Bernard Pouligny, Salima Rafaï.


  • Résumé

    Cette thèse étudie quelques situations dans lesquelles un système actif, composé de particules auto-propulsées, est soumis à des contraintes extérieures. Dans un premier chapitre, nous étudions le comportement d'une assemblée de bactéries magnétotactiques —capables de s'aligner sur un champ magnétique extérieur— forcées au travers d'une constriction en forme de sablier. Nous caractérisons les propriétés dynamiques de ce système, à l'échelle individuelle mais également à celle de l'embouteillage formé et du jet émergeant. En particulier, nous montrons dans les zones concentrées en bactéries des couplages reliant densité en bactéries, vitesse de nage et forçage magnétique beaucoup plus complexes que ce qui avait été considéré jusqu'à maintenant dans les modèles théoriques.Le deuxième chapitre aborde un nouveau système actif constitué de disques de camphres posés à la surface de l'eau. Dans une première étape, nous avons étudié en détails les propriétés de nage individuelle de ces objets qui brisent spontanément la symétrie du système pour se mettre en mouvement. En particulier, nous montrons que les données recueillies peuvent être rationnalisées à l'aide d'une approche théorique très simple de ce problème couplé d'hydrodynamique et de transport de tensio-actif. Dans un troisième chapitre, nous avons abordé la dynamique d'une assemblée de ces nageurs interfaciaux interagissant via les champs hydrodynamiques et chimiques qu'ils génèrent. À concentration intermédiaire en nageurs, un régime de nage intermittente caractérisé par des bouffées pseudo-périodiques d'activité des nageurs apparaît. En utilisant des outils et concepts issus du domaine de la turbulence nous montrons que de façon remarquable, ce système très simple exhibe des comportements canoniques de la turbulence tels que prédits par Kolmogorov (1941), ouvrant ainsi des perspectives concrètes sur des analogies très riches entre turbulence et systèmes actifs

  • Titre traduit

    Active Matter and Flows : Bacterial Jets and Interfacial Swimmers


  • Résumé

    This work address different situations where active matter, made out of self-propelled particles, is submitted to external constraints.In a first part, we consider the response of magnetotactic bacteria –capable of swim alignment along magnetic field lines- directed through an hourglass shape geometry. We characterize the dynamic properties of the system, both at the individual bacteria scale and at the scale of the jammed region or of the induced outgoing jet. We show that in high density regions, couplings between the bacteria interactions, swim velocity and magnetic forcing take a much more complex form than had been considered so far in theoretical models.In a second chapter, we are addressing a new active system made out of camphor disks lying at the air-water interface. First of all, we study in details the individual swim properties of such particles, which spontaneously break the system symmetry to start moving. In particular, we show that all experimental data can be rationalized within the framework of a very simple model of this complex problem where hydrodynamic flows and surfactant transports are coupled through Marangoni stress.In a last chapter, we addressed the collective dynamics of an assembly of such interfacial swimmers that interact through the flow and chemical fields they generate. At intermediate swimmers concentrations, an intermittent swim regime appears characterized by pseudo-periodic activity bursts. Using tools and concepts from the turbulence domain, we show that, remarkably, this simple system exhibits dynamical properties matching the ones of canonical turbulence as predicted by Kolmogorov in the 40s. This demonstration opens up rich perspectives in the historical domain of turbulence together with in the emerging one of active matter


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