Polar active matter : order, disorder and topological defects
Matière active polaire : ordre, désordre et défauts topologiques
Résumé
A host of collective dynamics are observed at all scales in Nature when living creatures and cells interact, forming swarms, herds and flocks. From a physicists' perspective, assemblies of self propelled bodies propelling along a common direction can be either thought as ordered condensed matter or as spontaneously flowing fluids. This experimental thesis is based on the realization ofsynthetic active liquids flowing spontaneously in microfluidic geometries. I use this model system toaddress the self-organisation of polar active matter and its robustness to geometric disorder. Inert colloids are motorized taking advantage of the Quincke rotation mechanism. When confined in microfluidic devices, interacting colloidal particules self-organize into synthetic flockswhere millions of rollers propel coherently and display long-range orientational order. I first show how the coupling between topological defects and active flows control theordering dynamics of polar liquids. To do so I provide a quantitative description of the geometry and dynamics of topological defects in polar active matter. I demonstrate the atypical existence of domainwalls emanating from -1 topological charges and explain their stabilisation as a result of a competition between density gradients and self-advection. I explain how topological defects annihilate along adomain wall network and account for the self-similar kinetics leading to the emergence of an ordered liquid devoid of any topological singularity or geometric distortions. I then address the flow of active liquids in heterogeneous environments. How is collectivemotion destabilized when challenged by geometric disorder ? To answer this question, I combine active-microfluidic experiments based on a colloidal polar liquid flowing through microfluidic devices patterned with controlled but random distributions of repelling isotropic obstacles Beyond a critical fraction of obstacles, long-range orientational order is destroyed: the stationary flows are tortuous and organized around a finite density of frozen topological defects. I reveal a new emerging state of active matter with no counterpart in equilibrium: a dynamic vortex glass, analogous to vortex glasses in dirty superconductors.
Une multitude de comportements collectifs s’observent à toutes les échelles dans la nature, lorsque des animaux ou des cellules interagissent, formant des troupeaux, des essaims ou des colonies. Du point de vue des physiciens, les assemblées d’individus auto-propulsés se déplaçant dans une direction commune peuvent être considérées soit comme de la matière condensée ordonnée, soit comme des fluides s'écoulant spontanément. Cette thèse expérimentale est basée sur la réalisation de liquides actifs synthétiques s'écoulant spontanément dans des géométries micro-fluidiques. J'utilise ce système modèle pour aborder l'autoorganisation de la matière active polaire et sa robustesse face au désordre géométrique. Des colloïdes inertes sont motorisés en profitant du mécanisme de rotation de Quincke. Lorsqu'elles sont confinées dans des dispositifs micro-fluidiques, les particules colloïdales en interaction s'auto-organisent en troupeaux synthétiques où des millions de rouleurs se propulsent de manière cohérente et affichent un ordre orientationnel à longue portée. Je montre d'abord comment le couplage entre défauts topologiques et écoulements actifs contrôle la dynamique d’auto-organisation des liquides polaires. Pour ce faire, je fournis une description quantitative de la géométrie et de la dynamique des défauts topologiques dans la matière active polaire. Je démontre l'existence atypique de murs de domaine émanant de charges topologiques -1 et j’explique leur stabilisation comme le résultat d'une compétition entre gradients de densité et auto-advection. J'explique comment les défauts topologiques s'annihilent le long d'un réseau de murs de domaines et rendent compte de la cinétique auto-similaire conduisant à l'émergence d'un liquide ordonné dépourvu de toute singularité topologique ou distorsion géométrique. J'aborde ensuite l'écoulement de liquides actifs dans des environnements hétérogènes. Comment le mouvement collectif est-il déstabilisé face au désordre géométrique ? Pour répondre à cette question, je combine des expériences basées sur un liquide polaire colloïdal circulant à travers des dispositifs micro-fluidiques modelés avec des distributions contrôlées mais aléatoires d'obstacles isotropes répulsifs. Au-delà d'une fraction critique d'obstacles, l'ordre orientationnel à longue portée est détruit : les écoulements stationnaires sont tortueux et organisés autour d'une densité finie de défauts topologiques gelés. Je révèle ainsi un nouvel état émergent de la matière active, sans contrepartie à l’équilibre : un verre de vortex dynamique, analogue aux verres de vortex dans les supraconducteurs désordonnés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)