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Thèse Année : 2015

Statistical physics of active matter

Physique statistique de la matière active

Alexandre Solon

Résumé

Active systems, composed of particles capable of using the energy stored in their medium to self-propel, are ubiquitous in nature. They are found at all scales : from molecular motors to cellular tissues, bacterial colonies and animal groups. These out-of-equilibrium systems have attracted a lot of attention from the physics community because they show a richer phenomenology than passive systems that we can still understand using simple models. In this thesis, we study analytically and numerically minimal models of active particles. They allow us to understand different phenomena that are characteristic of active matter and to study the large-scale behavior of several classes of systems. The thermodynamics of active systems is fundamentally different from that of equilibrium systems. In particular, we show that the mechanical pressure of an active particle fluid is not given by an equation of state. The pressure is not a property of the fluid and depends on the details of the interaction with the containing vessel. We also study two phase transitions that specific to active matter : The motility- induced phase separation and the transition to collective motion. In both cases, we observe a phase separation between a liquid and a gas and study their coexistence. For the transition to collective motion, we exhibit two universality classes, based on the particles’ symmetry, which have different types of coexistence phases.
Les systèmes actifs, composés de particules capables de transformer l’énergie stockée dans leur environnement pour s’autopropulser, sont omniprésents dans la nature. On les trouve à toutes les échelles : des moteurs moléculaires aux groupes d’animaux, en passant par les tissus cellulaires et les colonies de bactéries. Ces systèmes hors d’équilibre ont attiré l’attention des physiciens car ils présentent une phénoménologie plus riche que les systèmes passifs, que l’on peut cependant comprendre à partir de modèles simples. Dans cette thèse, nous avons étudié analytiquement et numériquement des modèles minimaux de particules actives. Ceux-ci nous ont permis de comprendre différents phénomènes spécifiques à la matière active et d’étudier le comportement à grand échelle de plusieurs classes de systèmes. La thermodynamique des systèmes actifs est fondamentalement différente de celle des systèmes d’équilibre. Nous montrons en particulier que la pression méca- nique d’un fluide de particules actives n’est pas donnée par une équation d’état. La pression n’est donc pas seulement une propriété du fluide et dépend du détail des interactions avec les parois du récipient dans lequel il est confiné. Nous étudions également deux transitions de phase propres à la matière active : la séparation de phase induite par la motilité et la transition vers le mouvement collectif. Dans les deux cas, on observe une séparation de phase entre un liquide et un gaz dont nous étudions la coexistence. Pour la transition vers le mouvement collectif on distingue deux classes d’universalité, en fonction de la symétrie des particules, qui ont des coexistences de phase différentes.
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Dates et versions

tel-01238464 , version 1 (05-12-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01238464 , version 1

Citer

Alexandre Solon. Physique statistique de la matière active. Physique [physics]. Université Paris Diderot, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01238464⟩
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