From collective to arrested motion of self-propelled colloidal rollers : Hydrodynamic and solidification of active polar liquids

Du mouvement au blocage collectif dans des assemblées de rouleurs colloïdaux : hydrodynamique et solidification des liquides polaires actifs

Delphine Geyer (1)

1 Phys-ENS - Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon

Spontaneous collective motion arises in many different systems, from assembly of synthetic shaken grains to living bird flocks. In order to understand the generic features of those collective behaviours, physisicts describe the flocks of motile units as ordered materials. In this thesis we study experimentally the dynamics of synthetic flocks and explore their hydrodynamic properties. We take advantage of the Quincke mechanism to motorize millions of colloids. Those Quincke rollers self-organize into a polar liquid, where all the particles, on average flow in the same direction. We provide the first experimental proof that the dynamics of polar liquids is well described by a theoretical prediction established more than twenty-five years ago. In particular, we demonstrate that two sound modes propagate along all directions of the fluid and we design a non invasive spectroscopic method to measure its hydrodynamics constants.Finally, we show that collective motion can be arrested in a dense flock. An active solid can nucleate, grow and propagate in a polar liquid. We establish that this solidification is a first order phase transition and demonstrate that the formation of this active solid is the first experimental proof of a complete motility induced phase separation of active particles (also known as MIPS).

Des mouvements collectifs dirigés émergent dans des systèmes très variés, depuis les assemblées synthétiques de grains vibrés jusqu'aux nuées d'oiseaux dans la nature. En essayant de comprendre le caractère générique de ces comportements dynamiques collectifs, les physiciens ont décrit les populations d'individus motiles comme des matériaux ordonnés.Dans cette thèse, nous réalisons expérimentalement des troupeaux synthétiques en laboratoire et nous explorons leurs propriétés hydrodynamiques.Nous tirons avantage du mécanisme d’électro rotation de Quincke pour motoriser des millions de colloïdes. Ces rouleurs de Quincke sont capables de s'auto-organiser pour former un troupeau appelé liquide polaire où toutes les particules se déplacent en moyenne dans la même direction.Nous montrons que la dynamique de ce liquide polaire est très bien décrite par des prédictions théoriques laissées sans preuves expérimentales depuis vingt-cinq ans. En particulier,nous démontrons que deux modes sonores s'y propagent et nous montrons que l’étude de leur spectre fournit une méthode non invasive pour mesurer ses constantes hydrodynamiques.Finalement, nous montrons que le mouvement dirigé peut être supprimé collectivement dans un troupeau dense. Un solide actif peut nucléer et se propager à contre-courant dans le liquide polaire. Nous établissons que cette solidification est une transition du premier ordre et qu'il s'agit de la première démonstration expérimentale complète d'une séparation de phase induite par la motilité des particules actives (aussi appelée MIPS).

Mots clés: Active matter; Polar liquids; Collective motion

Mots clés: Matière active; Liquide polaire; Mouvement collectif

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]; Matière Molle [cond-mat.soft]; Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]; Physique Classique [physics.class-ph]

Delphine Geyer. Du mouvement au blocage collectif dans des assemblées de rouleurs colloïdaux : hydrodynamique et solidification des liquides polaires actifs. Matière Condensée [cond-mat]. Université de Lyon, 2019. Français. ⟨NNT : 2019LYSEN026⟩. ⟨tel-02383177⟩