Phase separation in active systems : non-equilibrium fingerprints
Séparation de phases dans les systèmes actifs : empreintes de non-équilibre
Résumé
Active matter is intrinsically out of equilibrium because energy is converted into systematic motion by its constituents, and exhibit fascinating collective phenomena. One of them is phase separation between dense and dilute regions which, unlike in equilibrium, can happen even in absence of attraction among particles.In this Thesis, we study phase separation in active systems. First, we adopt the coarse-grained point of view of Active Model B+, a field theory based on symmetry arguments and conservation laws. This predicts the emergence of novel types of phase separation, impossible in equilibrium: a microphase separated state and bubbly phase separation (the coexistence between this microphase separated state and the homogeneous phase). In the first part of the Thesis, we study the statistical properties of micro and bubbly phase separation, confirm their asymptotic existence and show how the time convergence to the steady state is system size dependent in the bulk phase separation.Secondly we study the concept of interfacial tension in active systems, and derive from first principles (and for the first time) the capillary wave tension, which determines the elasticity of active liquid-vapor interfaces. By doing so, we show that no unique definition of surface tension can exist in active systems, thus ending a long-dated debate. Discovering that the capillary interfacial tension can become negative because of activity, we also find new types of phase separation, among which a previously unknown `active foam' state.Finally, we introduce and study a minimal model for the dynamics of vapor bubbles in micro and bubbly phase separation. Thanks to this, we shed light on the statistical properties of these phases and on how they might be controlled in the future in particle-based models.
La matière active désigne une classe des systèmes hors-équilibre dans laquelle l'énergie est dissipée localement par ses constituants pour se transformer en mouvement. Grâce à l'interaction entre les particules, il y a une grande variété de phénomènes collectifs. Ainsi, dans certains systèmes, il peut y avoir une séparation de phase entre des zones de haute et basse densité, même en l’absence de force d’attraction.À la base de la séparation de phase appelée motility-induced phase-separation (MIPS), il y a une rétroaction positive entre l'accumulation des particules et la diminution de la vitesse. Les particules bougent plus lentement dans les zones à forte densité et donc s’accumulent.La séparation de phase MIPS est le sujet de cette thèse et on va l’étudier avec différents points de vue. Dans un premier temps, on adopte l’approche du modèle active B+, qui est une théorie des champs capable de prédire l'existence de nouvelles séparations de phase telles que : une séparation microphase où des bulles de vapeur diffusent dans un milieu dense, et une séparation macrophase où il y a une phase dense en équilibre avec une phase diluée à l'extérieur. En particulier, on confirme l'existence de ces phases asymptotiquement et on étudie leurs propriétés statistiques. On trouve que le temps de relaxation vers l'état stationnaire dépend de la taille du système pour la séparation macrophase.Ensuite, on étudie le concept de tension superficielle et on montre qu'en matière active on ne peut pas avoir qu'une définition, mais on doit définir plusieurs tensions superficielles.Pour conclure, on fait le lien entre le modèles de particules et la théorie des champs en étudiant un modèle minimal de bulles développé pour identifier les ingrédients minimaux dans la séparation de phase MIPS, c’est-à-dire la compétition entre la diffusion des boules et l’Ostwald ripening (le mécanisme qui permet aux petites bulles de grandir au détriment des plus grandes).
Origine : Version validée par le jury (STAR)