The dynamics and phase behavior of colloids in 2D confinements and interfaces

par Hongyang Tang

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Maurizio Nobili.

Thèses en préparation à Montpellier en cotutelle avec The Hong Kong University of Science and Technology , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) depuis le 01-09-2017 .


  • Résumé

    La prédiction du comportement physique des particules aux interfaces fluides est cruciale pour la conception et l'optimisation de nombreux procédés industriels allant de la stabilisation des émulsions dans les industries alimentaires et pharmaceutiques aux techniques de flottation appliquées dans le traitement des eaux usées et l'exploitation minière. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement dynamique et de phase de particules anisotropes aux interfaces fluides et la manière dont le couplage orientational-translation affecte le comportement de ces particules dans ces systèmes. Au cours des dernières années, les deux groupes de M. Nobili au L2C (UM) et Y. Han à HKUST ont acquis des connaissances sur le comportement de particules anisotropes passives individuelles confinées dans des interfaces fluides (M. Nobili) et sur le comportement collectif de telles particules sous forte confinement (Y. Han). Au L2C, nous nous concentrerons sur le comportement collectif des particules anisotropes micrometriques (ellipsoïdes et plaquettes) à la fois passives et actives à proximité d'une interface fluide. Les particules dispersées dans un liquide d'une goutte pendante vont sédimenter proche de l'interface liquide-air. Elles seront ensuite concentrées dans une petite région 2D en contrôlant la courbure de l'interface via la pression de la goutte en limitant ainsi la quantité de particules nécessaires. De plus l'absence de piégeage à l'interface permettra de s'affranchir de la forte interaction capillaire entre les particules qui ont empêché l'étude de leur comportement collectif. Toutes les particules seront suivies par vidéo-microscopie afin d'obtenir leurs positions et leurs interactions. Le comportement dynamique des colloïdes passifs et actifs sera mesuré après avoir reconstruit leurs trajectoires et leurs orientations. Cette analyse multi-particules se fera à l'aide des codes informatiques développés par le groupe de Y. Han particulièrement adaptés aux systèmes concentrés. Nous nous attendons à ce que l'auto-propulsion puisse considérablement améliorer la portée et la force des interactions, et induire de nouvelles structures auto-assemblés. En augmentant la concentration et pour des grands rapports d'aspect, les ellipsoïdes pourraient former une phase nématique. La mesure quantitative des trajectoires de particules dans une telle phase nématique devrait aider à tester l'explication Kosterlitz-Thuless de la transition isotrope-nématique en 2D, qui a rarement été étudiée expérimentalement. A HKUST, nous fabriquerons par photolithographie diverses particules anisotropes en dehors des ellipsoïdes comme des plaquettes de forme différentes (triangles, rectangles et étoiles chirales) et nous explorerons leur dynamique et leur assemblage. L'étudiant procèdera également à des simulations informatiques sur la transition de phase ordre-désordre dans un cristal monocouche colloïdal binaire composé de disques paramagnétiques et non magnétiques. Les deux types de disques ont la même taille sans champ magnétique, ils sont répartis de manière aléatoire sur le réseau triangulaire. Au fur et à mesure que le champ magnétique le long de la direction z augmente, les répulsions entre les sphères paramagnétiques pourraient réorganiser les deux types de particules dans des réseaux ordonnés. Nous étudierons la cascade de transitions associées à la génération de défauts et à la distorsion du réseau pendant le processus. Nous explorerons davantage la nature de ces transitions d'ordre-désordre dans un réseau fixe qui n'a pas été exploré dans les systèmes modèles colloïdaux et devrait jeter une nouvelle lumières sur les transitions dans les alliages.

  • Titre traduit

    The dynamics and phase behavior of colloids in 2D confinements and interfaces


  • Résumé

    La prédiction du comportement physique des particules aux interfaces fluides est cruciale pour la conception et l'optimisation de nombreux procédés industriels allant de la stabilisation des émulsions dans les industries alimentaires et pharmaceutiques aux techniques de flottation appliquées dans le traitement des eaux usées et l'exploitation minière. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement dynamique et de phase de particules anisotropes aux interfaces fluides et la manière dont le couplage orientational-translation affecte le comportement de ces particules dans ces systèmes. Au cours des dernières années, les deux groupes de M. Nobili au L2C (UM) et Y. Han à HKUST ont acquis des connaissances sur le comportement de particules anisotropes passives individuelles confinées dans des interfaces fluides (M. Nobili) et sur le comportement collectif de telles particules sous forte confinement (Y. Han). Au L2C, nous nous concentrerons sur le comportement collectif des particules anisotropes micrometriques (ellipsoïdes et plaquettes) à la fois passives et actives à proximité d'une interface fluide. Les particules dispersées dans un liquide d'une goutte pendante vont sédimenter proche de l'interface liquide-air. Elles seront ensuite concentrées dans une petite région 2D en contrôlant la courbure de l'interface via la pression de la goutte en limitant ainsi la quantité de particules nécessaires. De plus l'absence de piégeage à l'interface permettra de s'affranchir de la forte interaction capillaire entre les particules qui ont empêché l'étude de leur comportement collectif. Toutes les particules seront suivies par vidéo-microscopie afin d'obtenir leurs positions et leurs interactions. Le comportement dynamique des colloïdes passifs et actifs sera mesuré après avoir reconstruit leurs trajectoires et leurs orientations. Cette analyse multi-particules se fera à l'aide des codes informatiques développés par le groupe de Y. Han particulièrement adaptés aux systèmes concentrés. Nous nous attendons à ce que l'auto-propulsion puisse considérablement améliorer la portée et la force des interactions, et induire de nouvelles structures auto-assemblés. En augmentant la concentration et pour des grands rapports d'aspect, les ellipsoïdes pourraient former une phase nématique. La mesure quantitative des trajectoires de particules dans une telle phase nématique devrait aider à tester l'explication Kosterlitz-Thuless de la transition isotrope-nématique en 2D, qui a rarement été étudiée expérimentalement. A HKUST, nous fabriquerons par photolithographie diverses particules anisotropes en dehors des ellipsoïdes comme des plaquettes de forme différentes (triangles, rectangles et étoiles chirales) et nous explorerons leur dynamique et leur assemblage. L'étudiant procèdera également à des simulations informatiques sur la transition de phase ordre-désordre dans un cristal monocouche colloïdal binaire composé de disques paramagnétiques et non magnétiques. Les deux types de disques ont la même taille sans champ magnétique, ils sont répartis de manière aléatoire sur le réseau triangulaire. Au fur et à mesure que le champ magnétique le long de la direction z augmente, les répulsions entre les sphères paramagnétiques pourraient réorganiser les deux types de particules dans des réseaux ordonnés. Nous étudierons la cascade de transitions associées à la génération de défauts et à la distorsion du réseau pendant le processus. Nous explorerons davantage la nature de ces transitions d'ordre-désordre dans un réseau fixe qui n'a pas été exploré dans les systèmes modèles colloïdaux et devrait jeter une nouvelle lumières sur les transitions dans les alliages.