Interactions effectives et dynamiques en systèmes actifs de colloïdes autopropulsés

par Enrico Federico Semeraro

Thèse de doctorat en Chimie Physique Moléculaire et Structurale

Sous la direction de Theyencheri Narayanan.

Le président du jury était Frédéric Pignon.

Le jury était composé de Stefano Mossa, Christophe Ybert.

Les rapporteurs étaient Thomas Zemb, Georg Pabst.


  • Résumé

    L’objectif de ce projet était l’étude systématique des interactions, de la microstructure et de la dynamique de suspensions de colloïdes qui imitent les mouvements de systèmes auto-propulsés (actifs), au moyen de techniques de diffusion : diffusion des rayons X aux (ultra) petits angles (USAXS/SAXS) et spectroscopie de corrélation de photons X (XPCS).À la différence des colloïdes passifs conventionnels (particules browniennes), les colloïdes actifs sont des systèmes hors équilibre faits d’objets auto-propulsés. Ces systèmes montrent une dynamique fascinante qui s’apparente aux mouvements de volée d'oiseaux, d’essaim d’insectes, etc.Les micro-organismes mobiles sont des exemples types de colloïdes actifs, notamment certaines variétés de bactéries, ou les colloïdes de type Janus caractérisé par une composition asymétrique de leur surface qui peux engendrer une propulsion, l’auto-diffusiophorèse. Les thèmes principaux de cette thèse sont les interactions inter-particule, les interactions particule-solvant et les dynamiques phorétiques des systèmes actifs.En premier lieu, la structure et la mobilité de la bactérie Escherichia coli ont été étudiées au moyen de SAXS/USAXS . Comme projet secondaire, l’obtention de données couvrant une très large gamme de vecteur de diffusion (q) a permis de dériver un modèle structural multi-échelle de la bactérie, en combinant les caractéristiques de colloïdes (corps cellulaire), de membranes (enveloppe cellulaire) et de polymères (flagelles). Ce modèle a été affiné au moyen de mesures complémentaires de diffusion de neutrons aux petits angles (SANS) sur des suspensions de la bactérie E. coli en variant le contraste externe (remplacement isotopique partielle du solvant) afin d’aboutir à une détermination quantitative de la densité électronique des membranes et des distances entre membranes.Ces bactéries ont ensuite été utilisées comme éléments actifs en mélange avec des colloïdes passifs de silice de taille sub-micrométrique, pour comprendre comment la présence de bactéries actives mobiles affecte les interactions effectives et la dynamique des colloïdes passifs. Des mesures USAXS et XPCS simultanées ont permis de déduire les propriétés statiques et hydrodynamiques de ces colloïdes passifs. Les données suggèrent que les bactéries actives se comportent comme un fluidifiant pour les colloïdes passifs, en réduisant leurs interactions attractives et en augmentant leur dynamique ; réciproquement, ces derniers sont affectés par la solution tampon et par la présence de bactéries augmente la viscosité environnante effective.Enfin, les mouvements phorétiques de colloïdes de silice et de type Janus (silice partiellement recouvert de nickel) suspendus dans un mélange de 3-methylpyridine (3MP) + eau/eau lourde pendant la séparation de phase liquide-liquide ont été investigués par USAXS et XPCS. Les mouvements des colloïdes sont fortement corrélés à la dynamique de la séparation de phase du fait de l’absorption préférentielle de 3MP à la surface de silice. Les colloïdes de silice montrent une dynamique advective avec une diffusion amélioré en direction des microdomaines riches en 3MP, évoquant la dynamique des systèmes auto-propulsés, jusqu’à l’aboutissement de la séparation de phase. Les suspensions de colloïdes de type Janus ont un comportement beaucoup plus complexe, la dynamique étant fortement corrélée aux interactions asymétriques avec le solvant. Cette dynamique est soit augmentée soit supprimée en fonction de la concentration en 3MP qui modifie aussi la micro-structure du système. Au lieu que les colloïdes de silice migrent vers la phase riche en 3MP, les colloïdes de type Janus agissent comme des tensioactifs en se plaçant à l’interface.Cette thèse démontre l’intérêt des techniques de diffusion pour explorer les propriétés des systèmes actifs et examiner leur comportement en thermodynamique hors équilibre afin de compléter les informations obtenues par observations microscopique.

  • Titre traduit

    Effective Interactions and Dynamics in Active Matter Systems


  • Résumé

    This project aimed to systematically investigate the interactions, microstructure and dynamics in suspensions of colloidal particles that mimic active motions, using (Ultra) Small- Angle X-ray Scattering (USAXS/SAXS) and X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS). As opposed to the conventional passive colloids (Brownian particles), active colloids are non-equilibrium systems consisting of self-propelled particles that display many fascinating dynamics, such as streaming, swarming, flocking, etc. in appropriate media. Practical examples of active systems are motile microorganisms, such as some species of bacteria, or synthetic Janus colloids – characterized by an asymmetric chemical composition of their surface – that can induce a propulsion mechanisms, like self-diffusiophoresis. The foci of this thesis are on interparticle interactions, particle-medium interactions and the phoretic dynamics in active systems.Firstly, the structure and motility of Escherichia coli bacteria were investigated by combined USAXS and SAXS methods. As an offshoot, the scattering data spanning a broad scattering vector (q)-range permitted the derivation of a multiscale structural model by combining colloidal (cell-body), membrane (cell-envelope) and polymer (flagella) features. This model was further refined by contrast-variation Small Angle Neutron Scattering (SANS) measurements on E. coli suspensions at three match points and the full contrast which allowed the determination of the membrane electron-density and the inter-membrane distances on a quantitative scale.These bacteria were then used as active component in a mixture with micron-sized passive silica colloids, with the aim of investigating how the effective interactions and dynamics of passive colloids are affected by the presence and the motility of active E. coli. Both static and hydrodynamic information were obtained via the simultaneous use of USAXS and XPCS techniques. Data suggested active bacteria act as a fluidizing agent in such systems, reducing attractive interactions and enhancing the dynamics of passive colloids, which, at the same time, are affected by the buffer and more viscous environment due to the bacterial presence.Finally, the phoretic motions of micron-sized silica colloids and half-coated silica/nickel Janus colloids suspended in a mixture of 3-methylpyridine (3MP) and water/heavy water undergoing liquid-liquid phase separation were investigated using USAXS and XPCS. Due to the preferential wetting of 3MP on the silica surface, the motion of the colloids is strongly correlated to the dynamics of phase separation.Silica colloids displayed advective motion with enhanced diffusion toward the 3MP-rich phase reminiscent of self-propelled motion until the phase separation is completed. Suspensions of Janus colloids showed a much richer scenario, where colloid dynamics are strongly influenced by the asymmetric interactions with the solvent. The dynamics of Janus colloids were either enhanced or suppressed depending on the 3MP concentration, which, concurrently, affected the microstructure of the system. As opposed to the partitioning in 3MP-rich phase in the case of silica colloids, Janus particles behave like surfactants at the interface.The thesis demonstrates the ability of studying active systems by means of scattering methods and probe their behaviour in the thermodynamic limit and complement the information derived from direct microscopy observations.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Université Grenoble Alpes. Bibliothèque et Appui à la Science Ouverte. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.