Quorum sensing dans des assemblées de particules actives synthétiques : Séparation de phase induite par la motilité

Quorum sensing in assemblies of synthetic active particles : Motility induced phase separation

• Auteur / Autrice : Thibault Lefranc
• Direction : Denis Bartolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Hamid Kellay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Bartolo, Hamid Kellay, Léa-Laetitia Pontani, Mathieu Leocmach, Cesare Nardini, Salima Rafaï
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Léa-Laetitia Pontani, Mathieu Leocmach

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière active (physique)

Mots clés libres

Matière active

Synthèse colloïdale

Quorum sensing

Electrorotation de Quincke

Séparation de phase

Active matter

Colloidal synthesis

Quorum sensing

Quincke electrorotation

Phase separation

Résumé

On définit la matière active comme une assemblée de particules capables de transformer à leur échelle l'énergie en mouvement. Les exemples de matière active sont nombreux dans la nature, allant de la colonie de bactérie au troupeau de zèbres en passant par les bancs de poissons et les foules humaines. Malgré ce mouvement perpétuel des individus, il est possible dans certains cas d'observer une séparation de phase, c'est-à-dire la formation de zones définies de densités différentes. Ceci peut s'expliquer par la détection de quorum : les particules tiennent compte de leurs voisines pour ajuster leur activité. Depuis une dizaine d'années, l'ensemble des briques élémentaires de la matière molle (polymères, colloïdes, ...) ont été motorisées pour fabriquer de la matière active en laboratoire. Cependant aucune forme de détection du quorum synthétique n'a été rapportée jusqu'à aujourd'hui. Dans cette thèse, nous présentons les premiers résultats permettant de montrer la possibilité de créer une forme simple de détection de quorum en laboratoire. Pour cela nous avons choisi comme élément de base un bâtonnet colloïdal. Nous présentons d'abord une analyse théorique expliquant le comportement de bâtonnets actifs. Cette analyse est une extension aux particules anisotropes du phénomène d'électrorotation de Quincke, déjà utilisé pour rendre des sphères actives. Elle permet de mettre en lumière le comportement plus riche des bâtonnets. Puis nous détaillons la démarche expérimentale pour la mise en œuvre concrète de la motorisation de ces colloïdes actifs, qui est au cœur de ces travaux de thèse. Enfin, nous rapportons les résultats obtenus, qui indiquent une première réalisation expérimentale de détection de quorum artificielle, avec notamment l'observation et la caractérisation d'une séparation de phase induite par la motilité conditionnelle des particules.

Active matter is defined as an assembly of particles capable of transforming energy into movement on their own scale. There are many examples of active matter in nature, from a colony of bacteria to a flock of zebras, from school of fishes to human crowds. Despite this perpetual movement of individuals, it is possible in some cases to observe phase separation, i.e. the formation of defined zones of different densities. This can be explained by the detection of quorum: particles take account of their neighbors to adjust their activity. Over the last ten years or so, all the building blocks of soft matter (polymers, colloids, etc.) have been motorized to produce active materials in the laboratory. However, no form of synthetic quorum sensing has yet been reported. In this thesis, we present the first results demonstrating the possibility of creating a simple form of quorum sensing in the laboratory. For this purpose, we have chosen a colloidal rod as the basic element. We first present a theoretical analysis explaining the behavior of active rods. This analysis is an extension to anisotropic particles of Quincke's electrorotation phenomenon, already used to render spheres active. It sheds light on the richer behavior of rods. We then detail the experimental approach for the concrete implementation of motorization of these active colloids, which is at the heart of this thesis work. Finally, we report on the results obtained, which indicate a first experimental realization of artificial quorum sensing, including the observation and characterization of a phase separation induced by conditional particle motility.