Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Separation de phase induite par la motilité“

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

La matière active englobe les systèmes hors d'équilibre dont les constituants microscopiques exercent des forces d'auto-propulsion non conservatives sur leur environnement. L'auto-organisation des unités actives en structures complexes est observée à toutes les échelles dans le monde vivant, des écosystèmes bactériens aux groupes d'oiseaux. De plus, ces dernières années, les physiciens et les chimistes ont été capables de concevoir des particules synthétiques capables d'auto-propulsion, telles que les colloïdes de Janus auto-phorétiques ou les rollers de Quincke, ouvrant ainsi la voie à la réalisation de matériaux actifs intelligents. À cet égard, comprendre le lien entre la dynamique microscopique des particules actives et leurs propriétés à grande échelle est un problème crucial tant pour la biologie que pour l'ingénierie bio-mimétique. Dans ce manuscrit, nous comblons cette lacune pour un certain nombre de systèmes actifs scalaires, i.e. des systèmes actifs dont le seul mode hydrodynamique à grande échelle est le champ de densité. En particulier, une grande partie du manuscrit est consacrée aux systèmes actifs à plusieurs composants, ou mélanges actifs, dont l'étude est pertinente pour obtenir des descriptions plus réalistes des communautés biologiques: des écosystèmes animaux aux colonies bactériennes, la polydispersité est omniprésente dans les systèmes vivants. Le manuscrit est structuré comme suit. Dans le chapitre 1, nous présentons une revue méthodologique sur les techniques de coarse-graining dans les systèmes actifs scalaires. Ces méthodes sont ensuite appliquées dans le chapitre 2 pour caractériser le comportement à grande échelle de particules actives en présence de différents mécanismes tactiques. La deuxième partie de la thèse est consacrée aux comportements collectifs dans les systèmes actifs scalaires en interaction. Dans le chapitre 3, nous étudions la régulation de la motilité non réciproque dans les mélanges binaires de particules actives, révélant l'impact de la non-réciprocité microscopique sur l'organisation macroscopique du système. Suivant cette ligne, dans le chapitre 4, nous considérons un écosystème bactérien où un grand nombre d'espèces coexistent ensemble, révélant comment une infime régulation de la motilité aléatoire peut suffire à favoriser la formation de communautés bactériennes distinctes. Pour conclure, dans le chapitre 5, nous passons de la matière biologique à la matière active synthétique, en étudiant un modèle de bâtonnets de Quincke autopropulsés. En particulier, nous montrons comment ces particules subissent une transition de condensation arrêtée, où la compétition entre quorum sensing et répulsion stérique est cruciale pour stabiliser les phases coexistantes
Active matter encompasses out-of-equilibrium systems whose microscopic constituents exert non-conservative self-propulsion forces on their environment. The self-organization of active units into complex structures is observed at all scales in the living world, from bacterial ecosystems to flocks of birds. Furthermore, in recent years, physicists and chemists have been able to engineer synthetic particles capable of self-propulsion, such as self-phoretic Janus colloids or Quincke rollers, thus paving the way towards the realization of smart active materials. In this regard, understanding the link between the microscopic dynamics of active particles and their large-scale properties is a crucial problem for both biology and bio-inspired engineering. In this manuscript, we bridge this gap for a number of scalar active systems, i.e. active systems where the only large-scale hydrodynamic mode is the conserved density field. In particular, a large part of the manuscript is devoted to multi-component active systems---or active mixtures---whose study is relevant to achieve more realistic descriptions of biological communities: from animal ecosystems to bacterial colonies, polydispersity is ubiquitous in living systems. The manuscript is structured as follows. In Chapter 1 we provide a methodological review of coarse-graining techniques in scalar active systems. These methods are then applied in Chapter 2 to characterize the large-scale behaviors of non-interacting active particles with different tactic mechanisms. The second part of the thesis is devoted to collective behaviors in interacting scalar active systems. In Chapter 3 we study the impact of non-reciprocal motility regulation in binary mixtures of active particles, and show how the microscopic non-reciprocity affects the macroscopic organization of the system. Following this line, in Chapter 4 we consider a bacterial ecosystem where a large number of species coexist, revealing how weak, random motility regulation can be sufficient to promote the formation of distinct bacterial communities. To conclude, in Chapter 5 we shift from biological to synthetic active matter, studying a model for self-propelled Quincke rods. In particular, we show how these rods can undergo an arrested condensation transition, where the interplay between quorum-sensing and steric repulsion is crucial to stabilize the coexisting phases

Bien que la nature soit tridimensionnelle, il existe de nombreux systèmes dont les dimensions effectives sont inférieures, offrant une nouvelle physique. Cette thèse porte sur les transitions de phase dans les systèmes de faibles dimensions, en particulier sur les phases hors équilibre dans la matière active (MA) bidimensionnelle (2D). À la différence des systèmes passifs, les particules actives sont entraînées par de l'énergie injectée à l'échelle microscopique à partir de degrés de liberté internes, entraînant une dynamique irréversible, et donnant souvent lieu à des phases macroscopiques contrastant avec l'équilibre. Dans une première partie, ce travail propose une caractérisation quantitative des phases hors équilibre en s'appuyant sur un modèle minimal de MA. Ce modèle repose sur des particules 2D autopropulsées avec des interactions de paires. La dynamique (Monte Carlo cinétique persistante) est une variante des disques passifs et diffère des modèles bien connus de MA. Un diagramme de phase quantitatif complet est présenté, incluant la séparation de phase induite par motilité (SPIM). De plus, le scénario de fusion en deux étapes avec la phase hexatique se retrouve aussi hors équilibre. L'activité peut fondre un solide 2D et les lignes de fusion restent séparées de SPIM. La deuxième partie explore l'existence de transitions de phase dans les modèles 1D classiques avec des interactions courtes portées à température non nulle. Une idée largement partagée est que de telles transitions sont impossibles. Un contre-exemple clair est présenté où la non-analyticité de l'énergie libre émerge d'un nouveau mécanisme d'origine géométrique, établi de manière rigoureuse
Although nature is three-dimensional, lower dimensional systems are often effectively realized offering fascinating new physics. The subject of this thesis is phase transitions in low dimensions, with its primary focus on non-equilibrium phases in two-dimensional active matter. Unlike passive systems, active particles are driven by energy injected at the microscopic scale from internal degrees of freedom resulting in an irreversible dynamics, often giving rise to macroscopic phases in striking contrast to equilibrium. A goal is to give a quantitative characterization of such non-equilibrium phases and to capture these in simplest realizations of active matter. The thesis explores two-dimensional self-propelled particles with isotropic pair-wise interactions. The dynamics (persistent kinetic Monte Carlo) is a variant of passive disks and different from well-known models of active matter. A full quantitative phase diagram is presented including motility induced phase separation (MIPS) as seen in other active systems. Additionally, the famous two-step melting scenario with the hexatic phase extends far from equilibrium. In this non-equilibrium scenario, the activity can melt a 2D solid and the melting lines remain separated from MIPS. The second part explores a frequently debated issue of the existence of phase transitions in classical one-dimensional models with short-range interactions at non-zero temperature. A widely shared misconception is that such transitions are not possible. A clear counterexample to this belief is given where non-analyticity in the free energy emerges from a new mechanism with a geometrical origin, which is then established on a rigorous ground

La séparation de phase au sein d'un système polymère/solvant est la méthode la plus couramment utilisée pour élaborer une membrane polymère poreuse. Les principales méthodes d'inversion de phase nécessitent l'usage de solvants organiques qui génèrent des problèmes environnementaux (traitement des bains de coagulation) et sanitaires (sécurité des installations industrielles). Cette étude porte sur le développement d'une nouvelle membrane polymère poreuse à partir d'un polymère biosourcé et hydrosoluble, l'hydroxypropylcellulose (HPC), permettant de s'affranchir de l'usage de solvants organiques. La propriété de thermosensibilité de l'HPC, caractérisé par une température critique basse en solution dans l'eau (LCST) de l'ordre de 40 °C, a par ailleurs permis de développer un procédé original d'élaboration de membranes HPC par séparation de phase induite par augmentation de la température au-delà de la LCST. Ce travail vise un triple objectif : (i) déterminer la formulation idoine permettant de former une membrane poreuse insoluble dans l'eau à partir d'HPC, (ii) appréhender et comprendre les mécanismes de structuration de la matrice polymère à travers l'interaction des mécanismes interdépendants de séparation de phase par décomposition spinodale, de réticulation chimique et d'extraction du solvant par évaporation et enfin (iii) caractériser l'aptitude des membranes à la filtration d'une solution aqueuse sous pression. Le suivi en ligne de la dynamique de séparation de phase d'un système HPC/eau/réticulant ± porogène (PEG200) par microscopie optique en contraste de phase, de la réticulation par rhéologie et de l'évaporation de l'eau par thermogravimétrie a ainsi permis de mettre en évidence l'impact de la formulation et des paramètres de conduite du procédé d'inversion de phase sur les propriétés morphologiques et d'usage des membranes. La porosité membranaire et le caractère symétrique de la morphologie ont notamment été corrélés à la vitesse des phénomènes concomitants de réticulation et d'évaporation de l'eau, donc à la vitesse de montée en température du procédé TIPS-LCST. La caractérisation de la perméabilité à l'eau des membranes HPC a confirmé l'efficacité de la réticulation et la résistance structurale des membranes au cours de plusieurs filtrations continues à l'eau. En raison du caractère thermosensible de l'HPC, ces membranes ont montré une aptitude remarquable à la filtration de solutions aqueuses à température élevée (60 °C). Par ailleurs, il a été montré que la perméabilité des membranes pouvait être en partie contrôlée par la température et la pression transmembranaire appliquée
Phase separation of polyer/solvent system is the most widespread industrial process to manufacture membranes. Large solvent quantity is usually used whatever the process, hence leading to environmental (coagulation and washing baths treatment) and health (industrial and plant safety) problems.This study focuses on the development of new porous membranes made from hydroxypropylcellulose (HPC), a water soluble polymer, avoiding the use of any organic solvent. Moreover, the thermo-sensitive character of this polymer, characterized by a Lower Critical Solution Temperature (LCST) in water of about 40 °C, enabled to design an original thermally induced phase separation process by temperature increase above the LCST. This study aims (i) to find the ideal polymer solution composition to produce insoluble HPC membrane, (ii) to approach and understand the link between phase separation mechanism by spinodal decomposition, crosslinkig reaction and water extraction by evaporation, (iii) characterize pure water permeability under pressure. On-line monitoring of phase sepration dynamics by phase contrast optical microscopy, crosslinking reaction by rheology and water evaporation by thermogravimetric analysis of the system HPC/water/cross-linking agent ± porogen (PEG200) allowed an understanding of simultaneous and related mechanisms occurring during elaboration (phase separation / cross-linking / water evaporation) and a correlation with HPC membrane morphologies and characteristics in relation with phase separation process parametres. Pure water permeability characterization demonstrated the efficiency of cross-linking and structural strength during several filtration cycles. Furthermore, it has been shown that water permeability of HPC membranes could be controlled in part by the temperature and the applied pressure

La séparation de phase au sein d'un système polymère/solvant est la méthode la plus couramment utilisée pour élaborer une membrane polymère poreuse. Les principales méthodes d'inversion de phase nécessitent l'usage de solvants organiques qui génèrent des problèmes environnementaux (traitement des bains de coagulation) et sanitaires (sécurité des installations industrielles). Cette étude porte sur le développement d'une nouvelle membrane polymère poreuse à partir d'un polymère biosourcé et hydrosoluble, l'hydroxypropylcellulose (HPC), permettant de s'affranchir de l'usage de solvants organiques. La propriété de thermosensibilité de l'HPC, caractérisé par une température critique basse en solution dans l'eau (LCST) de l'ordre de 40 °C, a par ailleurs permis de développer un procédé original d'élaboration de membranes HPC par séparation de phase induite par augmentation de la température au-delà de la LCST. Ce travail vise un triple objectif : (i) déterminer la formulation idoine permettant de former une membrane poreuse insoluble dans l'eau à partir d'HPC, (ii) appréhender et comprendre les mécanismes de structuration de la matrice polymère à travers l'interaction des mécanismes interdépendants de séparation de phase par décomposition spinodale, de réticulation chimique et d'extraction du solvant par évaporation et enfin (iii) caractériser l'aptitude des membranes à la filtration d'une solution aqueuse sous pression. Le suivi en ligne de la dynamique de séparation de phase d'un système HPC/eau/réticulant ± porogène (PEG200) par microscopie optique en contraste de phase, de la réticulation par rhéologie et de l'évaporation de l'eau par thermogravimétrie a ainsi permis de mettre en évidence l'impact de la formulation et des paramètres de conduite du procédé d'inversion de phase sur les propriétés morphologiques et d'usage des membranes. La porosité membranaire et le caractère symétrique de la morphologie ont notamment été corrélés à la vitesse des phénomènes concomitants de réticulation et d'évaporation de l'eau, donc à la vitesse de montée en température du procédé TIPS-LCST. La caractérisation de la perméabilité à l'eau des membranes HPC a confirmé l'efficacité de la réticulation et la résistance structurale des membranes au cours de plusieurs filtrations continues à l'eau. En raison du caractère thermosensible de l'HPC, ces membranes ont montré une aptitude remarquable à la filtration de solutions aqueuses à température élevée (60 °C). Par ailleurs, il a été montré que la perméabilité des membranes pouvait être en partie contrôlée par la température et la pression transmembranaire appliquée
Phase separation of polyer/solvent system is the most widespread industrial process to manufacture membranes. Large solvent quantity is usually used whatever the process, hence leading to environmental (coagulation and washing baths treatment) and health (industrial and plant safety) problems.This study focuses on the development of new porous membranes made from hydroxypropylcellulose (HPC), a water soluble polymer, avoiding the use of any organic solvent. Moreover, the thermo-sensitive character of this polymer, characterized by a Lower Critical Solution Temperature (LCST) in water of about 40 °C, enabled to design an original thermally induced phase separation process by temperature increase above the LCST. This study aims (i) to find the ideal polymer solution composition to produce insoluble HPC membrane, (ii) to approach and understand the link between phase separation mechanism by spinodal decomposition, crosslinkig reaction and water extraction by evaporation, (iii) characterize pure water permeability under pressure. On-line monitoring of phase sepration dynamics by phase contrast optical microscopy, crosslinking reaction by rheology and water evaporation by thermogravimetric analysis of the system HPC/water/cross-linking agent ± porogen (PEG200) allowed an understanding of simultaneous and related mechanisms occurring during elaboration (phase separation / cross-linking / water evaporation) and a correlation with HPC membrane morphologies and characteristics in relation with phase separation process parametres. Pure water permeability characterization demonstrated the efficiency of cross-linking and structural strength during several filtration cycles. Furthermore, it has been shown that water permeability of HPC membranes could be controlled in part by the temperature and the applied pressure

Le but de ce travail de thèse a été d’élaborer une résine permettant le procédé PIMS (Polymerization Induced Micro-phase Separation) en photopolymérisation sous l’irradiation des longueurs d’onde du visible, applicable à l’impression 3D et donnant accès à des matériaux thermoplastiques aisément recyclables. Cette thèse s’est donc articulée autour de 3 axes principaux. Tout d’abord, de nouveaux photoamorceurs de Type I, permettant une photopolymérisation efficace sous l’irradiation du visible, ont été développés. Pour ce faire, les propriétés physico-chimiques d’une centaine de composés dérivés des oxydes de phosphines ont été calculées par modélisation moléculaire et les candidats les plus prometteurs ont été synthétisés. L’efficacité de ces nouveaux photoamorceurs a ensuite été évaluée en photopolymérisation et ceux avec les meilleures réactivités ont été utilisés avec succès en impression 3D. Dans une seconde partie, le macro-amorceur Flexibloc, fourni par Arkema, a été introduit dans des résines photosensibles, avec des compositions variées, afin de permettre le procédé PIMS. Différentes stratégies d’amorçages photochimiques ont aussi été étudiées. Néanmoins, en présence du Flexibloc, il n’a pas été possible d’obtenir un copolymère à blocs et le procédé PIMS. Par conséquent, de nouveaux macro-(co)amorceurs, fonctionnalisés avec des amines tertiaires, ont été synthétisés pour remplacer le Flexibloc dans les résines photopolymérisables. Finalement, ces nouveaux composés ont permis une photopolymérisation et une impression 3D efficaces. En outre, grâce à ces nouveaux macro-coamorceurs, il a été possible d’obtenir des copolymères et le procédé PIMS en photopolymérisation
The aim of this thesis was to develop a resin enabling the PIMS process (Polymerization Induced Micro-phase Separation) in photopolymerization under the irradiation of visible lights, applicable to 3D printing and giving access to easily recyclable thermoplastic materials. For this purpose this thesis was structured around 3 main axis. First, new Type I photoinitiators have been developed, enabling efficient photopolymerization under visible light irradiation. For this purpose, the physico-chemical properties of a hundred compounds derived from phosphine oxides were calculated by molecular modeling, and the most promising candidates were synthesized. The efficiency of these new photoinitiators was then evaluated in photopolymerization, and those with the best reactivities were successfully used in 3D printing. In the second part, the Flexibloc macro-initiator, supplied by Arkema, was introduced into photosensitive resins with various compositions to enable the PIMS process. Multiple photochemical initiation strategies have also been studied. However, with the Flexibloc, it was not possible to obtain a block copolymer or the PIMS process. As a result, new macro-(co)initiators, functionalized with tertiary amines, have been synthesized to substitute the Flexibloc in photosensitive resins. Finally, these new compounds enabled efficient photopolymerization and 3D printing. In addition, these new macro-coinitiators made it possible to obtain copolymers and the PIMS process in photopolymerization