Self-organization in microfluidic-traffic and echo experiments

• Auteur / Autrice : Raphaël Jeanneret
• Direction : Denis Bartolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et Interfaces
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Émulsions

Techniques électrochimiques

Microfluidique

Résumé

Ce travail de thèse expérimental porte principalement sur deux études concernant la dynamique collective de particules dans des écoulements à très faible nombre de Reynolds et dans des environnements confinés. Dans ces systèmes les particules interagissent via des couplages hydrodynamiques à longue portée d'origine géométrique ou topologique. Le thème général faisant le pont entre ces deux études est la notion de réversibilité hydrodynamique. De part les méthodes mises en oeuvre pour aborder ces problèmes, cette thèse se place à l'interface de trois grands domaines de la physique: l'hydrodynamique, la matière molle et les systèmes dynamiques. Le premier système est un ensemble de gouttes micrométriques confinées dans une cellule de Hele-Shaw et soumis à un écoulement sinusoïdal afin de sonder la nature réversible de la dynamique. Cette expérience d'écho caractérisée par une dynamique microscopique complètement réversible met en évidence une transition de phase du premier ordre entre un état macroscopique réversible en dessous d'une certaine amplitude d'oscillation et un état macroscopique irréversible au dessus de cette amplitude. De plus, il est montré que cette transition n'est pas seulement dynamique mais également structurale. La seconde étude correspond quant à elle à une expérience de trafic dans un réseau de boucles microfluidiques où la dynamique asymptotique du système à 3 corps est étudiée de manière extensive. En combinant des études numériques, analytiques et expérimentales, il est montré que cette dynamique de trafic est Hamiltonienne et réversible.

This research deals with the collective dynamics of particles advected by low Reynolds flows in confined geometry. The particles interact with each other via long-range hydrodynamic couplings which originate from the geometry or the topology of the system. This long-range coupling induces highly non-trivial dynamics that are studied via two main experiments. These two studies are related through the well-known property of hydrodynamic reversibility. This PhD-thesis combines tools from three main domains of physics : hydrodynamic, soft-matter and dynamical systems. The first system is composed of a 2D monodisperse emulsion confined in a Hele-Shaw cell and submitted to a periodic drive in order to probe the reversibility of the dynamics. This echo-experiment characterized by a reversible dynamics at the microscopic level exhibit a very clear first order transition between a macroscopic reversible state at low drive and a macroscopic irreversible state at large drive. Furthermore, it is shown that this transition is not merely dynamical but also structural. The second study is about the traffic dynamics of three droplets travelling in large microfluidic-loop networks. Combining numerical, analytical and experimental tools, it is shown that the asymptotic dynamics is Hamiltonian and reversible.