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Dissertations / Theses on the topic 'Active Matter Physics'
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1
Mahault, Benoît. "Outstanding problems in the statistical physics of active matter." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLS250/document.
Full textAbstract:
La matière active, désignant les systèmes hors d’équilibre composés de particules étant capable d’utiliser l’énergie présente dans leur environnement afin de se déplacer de façon systématique, a suscité beaucoup d’attention auprès des communautés de mécanique statistique et matière molle ces dernières décennies. Les systèmes actifs couvrent en effet un large panel d’exemples allant de la biologie aux granulaires. Cette thèse se concentre sur l’étude de modèles minimaux de matière active sèche (ceux pour lesquels le fluide dans lequel les particles sont immergées est négligé), tel que le modèle de Vicsek qui considère des particules ponctuelles se déplaçant à vitesse constante tout en alignant leur direction de mouvement avec celles de leurs voisins localement en présence de bruit, et définit une classe d’universalité hors équilibre pour la transition vers le mouvement collectif. Quatre problèmes en suspens ont été abordés : La définition d’une classe d’universalité en matière active sèche qui décrit des systèmes de particles présentant un alignement polaire et un mouvement apolaire. Cette nouvelle classe exhibe une transition continue vers un quasi-ordre polaire doté d’exposants variant continument, et donc analogue au modèle XY à l’équilibre, mais n’appartenant pas à la classe d’universalité Kosterlitz-Thouless. Ensuite, l’étude de la validité des théories cinétiques décrivant les modèles de type Vicsek, qui sont confrontées aux résultats obtenus aux niveaux microscopique et hydrodynamique. Puis une évaluation quantitative de la théorie de Toner et Tu, permettant de mesurer les exposants caractérisant les fluctuations dans la phase ordonnée du modèle de Vicsek, à partir de simulations numériques à grande échelle du modèle microscopique. Enfin, la création d’un formalisme pour la dérivation d’équations hydrodynamiques à partir de modèles de matière active sèche à trois dimensions, ainsi que leur étude au niveau linéaireActive matter, i.e. nonequilibrium systems composed of many particles capable of exploiting the energy present in their environment in order to produce systematic motion, has attracted much attention from the statistical mechanics and soft matter communities in the past decades. Active systems indeed cover a large variety of examples that range from biological to granular. This Ph.D. focusses on the study of minimal models of dry active matter (when the fluid surrounding particles is neglected), such as the Vicsek model: point-like particles moving at constant speed and aligning their velocities with those of their neighbors locally in presence of noise, that defines a nonequilibrium universalilty class for the transition to collective motion. Four current issues have been addressed: The definition of a new universality class of dry active matter with polar alignment and apolar motion, showing a continuous transition to quasilong-range polar order with continuously varying exponents, analogous to the equilibrium XY model, but that does not belong to the Kosterlitz-Thouless universality class. Then, the study of the faithfulness of kinetic theories for simple Vicsek-style models and their comparison with results obtained at the microscopic and hydrodynamic levels. Follows a quantitative assessment of Toner and Tu theory, which has allowed to compute the exponents characterizing fluctuations in the flocking phase of the Vicsek model, from large scale numerical simulations of the microscopic dynamics. Finally, the establishment of a formalism allowing for the derivation of hydrodynamic field theories for dry active matter models in three dimensions, and their study at the linear level
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Watson, Garrett (Garrett A. ). "A method for detecting nonequilibrium dynamics in active matter." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2018. http://hdl.handle.net/1721.1/120209.
Full textAbstract:
Thesis: S.B., Massachusetts Institute of Technology, Department of Physics, 2018.Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 55-56).
Active force generation is an important class of out-of-equilibrium activity in cells. These forces play a crucial role in vital processes such as tissue folding, cell division and intracellular transport. It is important to determine the extent of such nonequilibrium activity during cellular processes to understand cell function. Here we present a framework for measuring nonequilibrium activity in biological active matter using time reversal asymmetry based on the Kullbeck-Leibler Divergence (KLD), also known as relative entropy. We estimate the KLD from a stationary time series using a k-nearest neighbors estimator, comparing the time-forwards process to the time-reversed process Using time series data of probe particles embedded in the actin cortex, we establish a lower bound for the entropy production of cortical activity. Our results demonstrate a reliable way to measure the breaking of detailed balance in mesoscopic systems.
by Garrett Watson.
S.B.
3
Peng, Chenhui. "ACTIVE COLLOIDS IN ISOTROPIC AND ANISOTROPIC ELECTROLYTES." Kent State University / OhioLINK, 2017. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=kent1480622734084146.
Full text
4
Dell'Arciprete, Dario. "Physics of bacterial microcolonies." Thesis, University of Edinburgh, 2016. http://hdl.handle.net/1842/23418.
Full textAbstract:
The growth of bacterial colonies is a very ubiquitous phenomenon occurring in nature and observed in the laboratories. However, there is a limited knowledge on how at the microscopic level these colonies develop and the individual cells spatially organize. In this thesis, we experimentally investigate the physics of growing microcolonies at the level of the individual Escherichia coli (E. coli ) cells, focussing on the order-disorder evolution and the understanding of it in the context of active matter. Bacterial cells are indeed constantly transducing energy from the environment to move and grow, therefore they behave as active microscopic units, defining an inherently far from equilibrium system. In Part I, we present a brief summary of passive liquid crystals that provide us with some basic concepts and tools for investigating the bacterial microcolony evolution. Then an overview of the biology of E. coli cell is given, both as part of multicellular structures (biofilm) and as individuals. Active matter is then discussed along with some examples of active nematics. This first part ends with the materials and methods used in the experiments and analysis. In Part II, we provide our experimental results on the study of growing bacterial microcolonies as active nematics. We describe the way a bacterial microcolony evolves from the first mother cell into a layer of hundreds of cells, and we study the global and local orientational order. We find that a transition from an anisotropic to an isotropic phase occurs as the colony increases and that instabilities and topological defects develop, in analogy to the case of an active nematic. We also compare the real system with simulated ones by investigating (i ) the case of equilibrated configurations with respect to experimental nonequilibrium ones, and (ii ) long-time behaviour of nonequilibrium analogues. In Part III, we discuss the buckling of bacterial microcolonies, that is, the transition from a 2D layer of cells to a 3D structure. We investigate the link between the buckling event and the presence of topological defects in the nematic map of the bacterial microcolony, finding that the buckling sites tend to be closer to topological defects with a negative charge. Later, we present some results of buckling in microcolonies composed of mutants lacking some appendages that play a role in the motion in and attachment to the surrounding environment, finding that buckling occurs at earlier times in the case of these mutants than the wild type. The aim of this work is to show that a growing bacterial microcolony is an interesting model of active matter to experiment on, and that the investigation tools developed for the study of liquid crystals can be useful for describing the evolution of these living systems in mechanistic terms, and for improving the current understanding of nonequilibrium phenomena.
5
Ahmed, Israr. "Mathematical and computational modelling of soft and active matter." Thesis, University of Central Lancashire, 2016. http://clok.uclan.ac.uk/18641/.
Full textAbstract:
The collective motion of organisms such as flights of birds, swimming of school of fish, migration of bacteria and movement of herds across long distances is a fascinating phenomenon that has intrigued man for centuries. Long and details observations have resulted in numerous abstract hypothesis and theories regarding the collective motion animals and organisms. In recent years the developments in supercomputers and general computational power along with highly refined mathematical theories and equations have enabled the collective motion of particles to be investigated in a logical and systematic manner. Hence, this study is focused mathematical principles are harnessed along with computational programmes in order to obtain a better understanding of collective behaviour of particles. Two types of systems have been considered namely homogeneous and heterogeneous systems, which represent collective motion with and without obstacles respectively. The Vicsek model has been used to investigate the collective behaviour of the particles in 2D and 3D systems. Based on this, a new model was developed: the obstacle avoidance model. This showed the interaction of particles with fixed and moving obstacles. It was established using this model that the collective motion of the particles was very low when higher noise was involved in the system and the collective motion of the particles was higher when lower noise and interaction radius existed. Very little is known about the collective motion of self-propelled particles in heterogeneous mediums, especially when noise is added to the system, and when the interaction radius between particles and obstacles is changed. In the presence of moving obstacles, particles exhibited a greater collective motion than with the fixed obstacles. Collective motion showed non-monotonic behaviour and the existence of optimal noise maximised the collective motion. In the presence of moving obstacles there were fluctuations in the value of the order parameter. Collective systems studies are highly useful in order to produce artificial swarms of autonomous vehicles, to develop effective fishing strategies and to understand human interactions in crowds for devising and implementing efficient and safe crowd control policies. These will help to avoid fatalities in highly crowded situations such as music concerts and sports and entertainment events with large audiences, as well as crowded shopping centres. In this study, a new model termed the obstacle avoidance model is presented which investigates the collective motion of self-propelled particles in the heterogeneous medium. In future work this model can be extended to include a combination of a number of motionless and moving obstacles hence bringing the modelling closer to reality.
6
Stefferson, Michael W. "Dynamics of Crowded and Active Biological Systems." Thesis, University of Colorado at Boulder, 2018. http://pqdtopen.proquest.com/#viewpdf?dispub=10823834.
Full textAbstract:
Interactions between particles and their environment can alter the dynamics of biological systems. In crowded media like the cell, interactions with obstacles can introduce anomalous subdiffusion. Active matter systems, e.g. , bacterial swarms, are nonequilibrium fluids where interparticle interactions and activity cause collective motion and dynamical phases. In this thesis, I discuss my advances in the fields of crowded media and active matter. For crowded media, I studied the effects of soft obstacles and bound mobility on tracer diffusion using a lattice Monte Carlo model. I characterized how bound motion can minimize the effects of hindered anomalous diffusion and obstacle percolation, which has implications for protein movement and interactions in cells. I extended the analysis of binding and bound motion to study the effects of transport across biofilters like the nuclear pore complex (NPC). Using a minimal model, I made predictions on the selectivity of the NPC in terms of physical parameters. Finally, I looked at active matter systems. Using dynamical density functional theory, I studied the temporal evolution of a self-propelled needle system. I mapped out a dynamical phase diagram and discuss the connection between a banding instability and microscopic interactions.
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Putzig, Elias. "An Exploration of the Phases and Structure Formation in Active Nematic Materials Using an Overdamped Continuum Theory." Thesis, Brandeis University, 2017. http://pqdtopen.proquest.com/#viewpdf?dispub=10620560.
Full textAbstract:
Active nematics are a class of nonequilibrium systems which have received much attention in the form of continuum models in recent years. For the dense, highly ordered case which is of particular interest, these models focus almost exclusively on suspensions of active particles in which the flow of the medium plays a key role in the dynamical equations. Many active nematics, however, reside at an interface or on a surface where friction excludes the effects of long-range flow. In the following pages we shall construct a general model which describes these systems with overdamped dynamical equations. Through numerical and analytical investigation we detail how many of the striking nonequilibrium behaviors of active nematics arise in such systems.
We shall first discuss how the activity in these systems gives rise to an instability in the nematic ordered state. This instability leads to phase-separation in which bands of ordered active nematic are interspersed with bands of the disordered phase. We expose the factors which control the density contrast and the stability of these bands through numerical investigation.
We then turn to the highly ordered phase of active nematic materials, in which striking nonequilibrium behaviors such as the spontaneous formation, self-propulsion, and ordering of charge-half defects occurs. We extend the overdamped model of an active nematic to describe these behaviors by including the advection of the director by the active forces in the dynamical equations. We find a new instability in the ordered state which gives rise to defect formation, as well as an analog of the instability which is seen in models of active nematic suspensions. Through numerical investigations we expose a rich phenomenology in the neighborhood of this new instability. The phenomenology includes a state in which the orientations of motile, transient defects form long-range order. This is the first continuum model to contain such a state, and we compare the behavior seen here with similar states seen in the experiments and simulations of Stephen DeCamp and Gabriel Redner et. al. [1]
Finally, we propose the measurement of defect shape as a mechanism for the comparison between continuum theories of active nematics and the experimental and simulated realiza- tions of these systems. We present a method for making these measurements which allows for averaging and statistical analysis, and use this method to determine how the shapes of defects depend on the parameters of our continuum theory. We then compare these with the shapes of defects which we measure in the experiments and simulations mentioned above in order to place these systems in the parameter space of our model. It is our hope that this mechanism for comparison between models and realizations of active nematics will provide a key to pairing the two more closely.
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Kyriakopoulos, Nikos. "Flocking in active matter systems : structure and response to perturbations." Thesis, University of Aberdeen, 2016. http://digitool.abdn.ac.uk:80/webclient/DeliveryManager?pid=231666.
Full textAbstract:
Flocking, the collective motion of systems consisting of many agents, is a ubiquitous phenomenon in nature, observed both in biological and artificial systems. The understanding of such systems is important from both a theoretical point of view, as it extends the field of statistical physics to non-equilibrium systems, and from a practical point of view, due to the emergence of applications that are based on the modelling. In the present thesis I numerically investigated several aspects of flocking dynamics, simulating systems consisting of up to millions of particles. One first problem I worked on regarded the flocks response to external perturbations, something that had received little attention so far. The result was a scaling relation, connecting the asymptotic response of a flock to the strength of the external fleld affecting it. Additionally, my preliminary results point towards a generalised fluctuation-dissipation relation for the short-time response, with two different effective temperatures depending on the direction at which the perturbing field is applied. Another aspect I studied was the stability and dynamical properties of non-confined active systems (finite flocks in open space). The results showed that these flocks are stable only when an attracting 'social force' keeps the agents from drifting away from each other. The velocity fluctuations correlations were found to be different than the asymptotic limit predictions of hydrodynamic theories for infinite flocks. Finally, I studied the clustering dynamics of flocking systems. The conclusion was that the non-equilibrium clustering in the ordered phase is regulated by an anisotropic percolation transition, while it does not drive the order-disorder transition, contrary to earlier conjectures. I believe the results of this work answer some important questions in the field of ordered active matter, while at the same time opening new and intriguing ones, that will hopefully be tackled in the near future.
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Balin, Andrew. "Statistical mechanics of colloids and active matter in and out of equilibrium." Thesis, University of Oxford, 2017. https://ora.ox.ac.uk/objects/uuid:2941a082-82ca-400b-ae6b-7c22e75cc90c.
Full textAbstract:
Thermal and viscous forces compete for dominance at the microscopic length-scales which govern the behaviour of many soft or biological systems. We study three systems of increasing complexity with the central goal of understanding the statistical or hydrodynamic nature of their mechanics. First we study experiments that have been conducted on ferromagnetic colloidal rods. At equilibrium, the magnetically pinned rod is observed to randomly flip between two orientational states, which our theoretical analysis shows is due to a competition between entropic and Hamiltonian forces. We show analytically how entropic forces can arise by considering the coupling between observed and unobserved variables of a system. Experiments in which a rod is driven out of equilibrium by a rotating field display three phases of steady-state behaviour as a function of driving frequency. Using Brownian dynamics simulations we match the lower critical frequency to the experimentally obtained values, showing that thermal fluctuations play an important role in this regime and propose a simple argument to demonstrate that hydrodynamic interactions between the substrate and rod affect the upper critical frequency. We then turn to the biophysical topic of cell locomotion in viscoelastic media. In order to study how bacterial flagella interact with similarly-sized polymers in their environment, we construct a Stokesian dynamics model of a helical filament and bead--spring polymer. Simulating their interaction first for a pinned--rotating helix, then for a swimming helix, we demonstrate that large polymers become hydrodynamically entrained by the flagellum and coil around it, causing both pinned and swimming flagella to expend more work. For the swimming helix, this results in a reduction of swimming speed on average. Finally, we consider an active nematic fluid confined to a channel and show that the inclusion of a passive colloid induces a global state of coherent flow maintained by the intrinsic activity of the system. This flow is persistent, and transports the colloid with it along the channel. By this mechanism, a passive colloid is able to spontaneously induce its own transport through an otherwise quiescent fluid.
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Cohen, Jack Andrew. "Active colloids and polymer translocation." Thesis, University of Oxford, 2013. http://ora.ox.ac.uk/objects/uuid:e8fd2e5d-f96f-4f75-8be8-fc506155aa0f.
Full textAbstract:
This thesis considers two areas of research in non-equilibrium soft matter at the mesoscale. In the first part we introduce active colloids in the context of active matter and focus on the particular case of phoretic colloids. The general theory of phoresis is presented along with an expression for the phoretic velocity of a colloid and its rotational diffusion in two and three dimensions. We introduce a model for thermally active colloids that absorb light and emit heat and propel through thermophoresis. Using this model we develop the equations of motion for their collective dynamics and consider excluded volume through a lattice gas formalism. Solutions to the thermoattractive collective dynamics are studied in one dimension analytically and numerically. A few numerical results are presented for the collective dynamics in two dimensions. We simulate an unconfined system of thermally active colloids under directed illumination with simple projection based geometric optics. This system self-organises into a comet-like swarm and exhibits a wide range of non- equilibrium phenomena. In the second part we review the background of polymer translocation, including key experiments, theoretical progress and simulation studies. We present, discuss and use a common model to investigate the potential of patterned nanopores for stochastic sensing and identification of polynucleotides and other heteropolymers. Three pore patterns are characterised in terms of the response of a homopolymer with varying attractive affinity. This is extended to simple periodic block co-polymer heterostructures and a model device is proposed and demonstrated with two stochastic sensing algorithms. We find that mul- tiple sequential measurements of the translocation time is sufficient for identification with high accuracy. Motivated by fluctuating biological channels and the prospect of frequency based selectivity we investigate the response of a homopolymer through a pore that has a time dependent geometry. We show that a time dependent mobility can capture many features of the frequency response.
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Dal, Cengio Sara. "Competition and Response: from Active Matter to Electrolytes under Confinement." Doctoral thesis, Universitat de Barcelona, 2020. http://hdl.handle.net/10803/670864.
Full textAbstract:
Most systems in Nature manifest complex transport phenomena arising from the interplay of multiple time and length scales, be them intrinsic in the system’s dynamics or externally enforced. It is the case, for instance, of a colony of migrating cells whose competing mechanisms of self-propulsion and interaction allow for the reorganization into different tissues. Or, by ‘zooming in’ and looking at the same system on a different scale, it is the case of the ionic channels located in the membranes of the aforesaid cells. These channels typically exhibit extraordinary ion selectivity and water permeability due to the interplay between geometric confinement, surface properties and external drivings. Whether to investigate the collective structures of the former system, or the nanofluidic properties of the latter one rests on the interests of the reader. In any case, she will find some food for thought in this thesis.
Here we aim at the study of the transport properties of two very different classes of systems: active matter and electrolytes under confinement. In the examples above drawn from biology, cell tissues belongs to the class of active matter and protein channels are the archetype nanometric ionic systems. We tackle the problem from a purely statistical physics viewpoint by constructing minimal models to study the system’s response to outside influences and, by doing so, learn something about its internal properties.
In the case of active matter, the challenge resides in the intrinsically out-of-equilibrium nature of its constituents, having the ability to self-propel by consuming fuel stored in the environment. In Part I of the manuscript, we study how the interplay between self-propulsion and steric interactions affects the linear response of active systems. First, we construct a very general theoretical framework which allows to derive general constraints that arbitrarily out-of-equilibrium systems must fulfilled. Then, we apply it to two different minimal models of active systems to derive generalized fluctuation-dissipation relations and Green-Kubo expressions.
In Part II of the manuscript we investigate the surface-dominated transport of electrolytes in (i) a nanofluidic diode and (ii) a scanning ionic conductance microscopy configuration. In both cases, we develop a theory of ionic conductivity that rationalizes previous experimental results. By doing so, we shed light on the importance of the surface versus bulk competition in controlling ionic transport and we propose a new approach to exploit it for the imaging of surface charge with nanometric resolution.La mayoría de los sistemas en la Naturaleza manifiestan fenómenos de transporte complejos que surgen de la interacción de múltiples escalas de tiempo y longitud, ya sean intrínsecas en la dinámica del sistema o forzadas externamente. Es el caso, por ejemplo, de una colonia de células migratorias cuyos mecanismos competitivos de autopropulsión e interacción permiten la reorganización en diferentes tejidos; o, al "acercar" y mirar el mismo sistema en una escala diferente, es el caso de los canales iónicos ubicados en las membranas de las células mencionadas. Estos canales exhiben típicamente una selectividad de iones extraordinaria y permeabilidad al agua debido a la interacción entre el confinamiento geométrico, las propiedades de la superficie y los conductos externos. Ya sea para investigar las estructuras colectivas del primer sistema, o las propiedades nanofluídicas del último, se basa en los intereses del lector. En cualquier caso, encontrará algo de reflexión en esta tesis.
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Farrell, Fred Desmond Casimir. "Modelling collective behaviour and pattern formation in bacterial colonies." Thesis, University of Edinburgh, 2015. http://hdl.handle.net/1842/10452.
Full textAbstract:
In this Thesis I present simulation- and theory-based studies of pattern formation and growth in collections of micro-organisms, in particular bacterial colonies. The aim of these studies is to introduce simple models of the 'micro-scale' behaviour of bacterial cells in order to study the emergent behaviour of large collections of them. To do this, computer simulations and theoretical techniques from statistical physics, and in particular non-equilibrium statistical physics, were used, as the systems under study are far from thermodynamic equilibrium, in common with most biological systems. Since the elements making up these sytems - the micro-organisms - are active, constantly transducing energy from their environment in order to move and grow, they can be viewed as `active matter' systems. First, I describe my work on a generalization of an archetypal model of active matter - the Vicsek model of flocking behaviour - in which the speed of motion of active particles depends on the local density of particles. Such an interaction had previously been shown to be responsible for some forms of pattern formation in bacterial colonies grown on agar plates in the laboratory. Simulations and theory demonstrated a variety of pattern formation in this system, and these results may be relevant to explaining behaviour observed in experiments done on collections of molecular motors and actin fibres. I then go on to describe work on modelling pattern formation and growth in bacterial biofilms - dense colonies of cells growing on top of solid surfaces. I introduce a simple simulation model for the growth of non-motile cells on a flat surface, whereby they move only by growing and pushing on each other as they grow. Such colonies have previously been observed experimentally to demonstrate a transition from round to 'branched' colonies, with a pattern similar to diffusion-limited aggregation. From these simulations and analytical modelling, a theory of the growth of such colonies is developed which is quite different from previous theories. For example, I find that the colony cannot grow at a constant speed if the cells are not compressible. Finally, I present some results on genetic drift and evolution in growing bacterial colonies. Genetic drift is greatly enhanced in colonies which are expanding in space, as only a few individuals at the edge of the population are able to pass on their genes onto their progeny. The individual-based simulations of biofilms described above are used to analyse which factors - such as the shape of the colony, the thickness of the growing layer of cells, and the interactions between the cells - affect the rate of genetic drift and the probability of fixation of beneficial mutations. This has implications, for example, for the evolution of antibiotic resistance in such colonies.
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Gonzalez, Ibon Santiago. "DNA programmed assembly of active matter at the micro and nano scales." Thesis, University of Oxford, 2017. https://ora.ox.ac.uk/objects/uuid:8cc298ba-d35c-4c58-8893-b1f2c9d6c65c.
Full textAbstract:
Small devices capable of self-propulsion have potential application in areas of nanoscience where autonomous locomotion and programmability are needed. The specific base-pairing interactions that arise from DNA hybridisation permit the programmed assembly of matter and also the creation of controllable dynamical systems. The aim of this thesis is to use the tools of DNA nanotechnology to design synthetic active matter at the micro and nano scales. In the first section, DNA was used as an active medium capable of transporting information faster than diffusion in the form of chemical waves. DNA waves were generated experimentally using a DNA autocatalytic reaction in a microfluidic channel. The propagation velocity of DNA chemical waves was slowed down by creating concentration gradients that changed the reaction kinetics in space. The second section details the synthesis of chemically-propelled particles and the use of DNA as a 'programmable glue' to mediate their interactions. Janus micromotors were fabricated by physical vapour deposition and a wet-chemical approach was demonstrated to synthesise asymmetrical catalytic Pt-Au nanoparticles that function as nanomotors. Dynamic light scattering measurements showed nanomotor activity that depends on H2O2 concentration, consistent with chemical propulsion. Gold nanoparticles/Origami hybrids were assembled in 2D lattices of different symmetries arranged by DNA linkers. The third section details the design process and synthesis of nanomotors using DNA as a structural scaffold. 3D DNA Origami rectangular prisms were functionalised site-specifically with bioconjugated catalysts, i.e. Pt nanoparticles and catalase. Enzymatic nanomotors were also conjugated to various cargoes and their motor activity was demonstrated by Fluorescence Correlation Spectroscopy. In the final section, control mechanisms for autonomous nanomotors are studied, which includes the conformational change of DNA aptamers in response to chemical signals, as well as a design for an adaptive dynamical system based on DNA/enzyme reaction networks.
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Pierce, Christopher J. "Hydrodynamics and Collective Behavior of Magnetotactic Bacteria." The Ohio State University, 2020. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1574761477220177.
Full text
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Oropeza, Palacio Freddy Enrique. "Electronic structure of TiO2-based photocatalysts active under visible light." Thesis, University of Oxford, 2011. http://ora.ox.ac.uk/objects/uuid:dec3cf2c-f14b-40b1-b85a-c0c09d04d15b.
Full textAbstract:
This thesis is concerned with furthering our understanding of the basis of visible region photocatalytic activity exhibited by doped TiO2-based materials. A range of experimental techniques including high resolution X-ray photoemission spectroscopy and diffuse reflectance spectroscopy are used to investigate electronic structure and an attempt is made to link these results to the observed photocatalytic activity. Both anionic (N) and cationic (Rh and Sn) dopants are investigated. [See pdf file for full abstract].
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Chen, Hongshi. "Contribution to Active Probe for SNOM and Nanoscale Light-matter Interaction based on Photopolymerization." Electronic Thesis or Diss., Troyes, 2022. http://www.theses.fr/2022TROY0007.
Full textAbstract:
La microscopie optique en champ proche à balayage (SNOM) est une technologie d'imagerie optique à haute résolution. L'information associée aux hautes fréquences spatiales du champ proche est associée à une haute résolution spatiale, permettant de dépasser la limite de diffraction. Développer une sonde optique locale efficace reste un sujet clé d'actualité qui est abordé depuis longtemps. La thèse porte sur le développement d'une sonde en champ proche active basée sur une pointe polymère intégrée à l'extrémité d'une fibre optique. Nous avons polymérisé une pointe en polymère sur la surface de l'extrémité de la fibre. Pour le balayage, les forces locales de cisaillement détectées à l’aide d’un micro diapason sur lequel est collée la sonde sont utilisées pour contrôler la distance sonde-échantillon. Après fonctionnalisation de surface de la sonde polymère, quelques nano-émetteurs ont été attachés sur l'extrémité de la sonde, pour obtenir une sonde active. Les nano-émetteurs peuvent servir de source lumineuse locale pour la sonde active. La stratégie d’intégration de nano-emetteurs développée a été utilisée sur des nanocubes d'or sur substrat, pour concevoir des nano-émetteurs de plasmons hybrides sensibles à la polarisation. Nous avons également étendu ces nano-émetteurs hybrides au régime de photon unique. Enfin, la sonde active a été testée sur deux types d'échantillons : des nanofils d'argent et des nanocubes d'or. En utilisant notre nouvelle sonde active, nous avons collecté des informations de champ proche pour ces nanostructures et dépassé la limite de diffractionScanning Near-field Optical Microscope (SNOM) is a technology for high resolution optical imaging. The high spatial frequency information from the near-field is associated to high spatial resolution, allowing one to break the diffraction limit. The used local probe is still a key topical issue that has been addressed for long. The thesis deals with the development of an active near-field probe based on a polymer tip integrated at the extremity of an optical fiber. We polymerized polymer tip on the surface of the fiber end as a scanning optical probe. Shear-force method with micro tuning fork is used for controlling the probe-sample distance. After surface functionalization of the polymer probe, a few nano-emitters have been attached on the probe extremity, to obtain an active probe. Upon excitation, the nano-emitters can act as local light source for the active probe. Besides, while the development of such active hybrid probes turned out to be challenging, the developed strategy of attachment has been used on gold nanocubes on substrate, to create polarization-sensitive hybrid plasmon nano-emitters. We also extended this hybrid nano-emitters to single photon regime. Finally, the active probe was tested on two kinds of samples: silver nanowires and gold nanocubes. By using our new active probe, we obtained near-field information for those nanostructures and broke the diffraction limit
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Recht, Daniel. "Energetic Beam Processing of Silicon to Engineer Optoelectronically Active Defects." Thesis, Harvard University, 2012. http://dissertations.umi.com/gsas.harvard:10305.
Full textAbstract:
This thesis explores ways to use ion implantation and nanosecond pulsed laser melting, both energetic beam techniques, to engineer defects in silicon. These defects are chosen to facilitate the use of silicon in optoelectronic applications for which its indirect bandgap is not ideal. Chapter 2 develops a kinetic model for the use of point defects as luminescence centers for light-emitting diodes and demonstrates an experimental procedure capable of high-throughput screening of the electroluminescent properties of such defects. Chapter 3 discusses the dramatic change in optical absorption observed in silicon highly supersaturated (i.e., hyperdoped) with the chalcogens sulfur, selenium, and tellurium and reports the first measurements of the optical absorption of such materials for photon energies greater than the bandgap of silicon. Chapter 3 examines the use of silicon hyperdoped with chalcogens in light detectors and concludes that while these devices display strong internal gain that is coupled to a particular type of surface defect, hyperdoping with chalcogens does not lead directly to measurable sub-bandgap photoconductivity. Chapter 4 considers the potential for Silicon to serve as the active material in an intermediate-band solar cell and reports experimental progress on two proposed approaches for hyperdoping silicon for this application. The main results of this chapter are the use of native-oxide etching to control the surface evaporation rate of sulfur from silicon and the first synthesis of monocrystalline silicon hyperdoped with gold.Engineering and Applied Sciences
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Theurkauff, Isaac. "Collective Behavior of active colloids." Thesis, Lyon 1, 2013. http://www.theses.fr/2013LYO10251/document.
Full textAbstract:
Nous étudions le comportement collectif d'une assemblée de colloïdes Janus, des sphères d'or de 1µm dont une moitié est recouverte de platine. Lorsqu'ils sont immergés dans une solution d'eau oxygénée, ils se déplacent à des vitesses de l'ordre de 5µm/s, contrôlable par la concentration en peroxyde. Individuellement, ces colloïdes suivent une marche aléatoire persistante ; Ils interagissent par effets phorétiques, formant des clusters dynamiques de quelques dizaines de colloïdes. Ces clusters, mobiles, échangent continuellement des colloïdes, se divisent et se fusionnent, formant une phase stationnaire. Nous avons développés ces colloïdes, ainsi qu'un système d'acquisition pour détecter et reconstituer les trajectoires des colloïdes. La taille moyenne des clusters augmente linéairement avec l'activité, définie comme la vitesse moyenne des colloïdes en dehors des clusters. La fonction densité de probabilité de la taille des clusters est une loi de puissance d'exposant -2. Nous quantifions les vitesses de translation et de rotation des clusters. Pour réaliser une étude thermodynamique, nous réalisons des expériences de sédimentation. Une transition est observée, entre une phase peu dense, un gaz parfait, dans lequel on mesure une température effective, et une phase dense à la dynamique hétérogène. L'équation d'état du système est mesurée, et une forme analytique heuristique est proposéeWe study the collective behavior of an assembly of Janus Colloids. These are 1µm gold colloids with one half coated in platinum. When immersed in a peroxide bath, they self-propel, owing to diffusiophoresis and electrophoresis, moving at velocities of order 5µm/s. The velocity can be tune by adjusting the amount of peroxide in the bath. At the single particle level, the colloids undergo a persistent random walk. When in denser groups, the colloids interact through chemical and steric effects. The combination of these interactions, with the colloids activity, leads to collective effects. A dynamic cluster phase is observed, the formation of motile clusters of colloids, formed of up to 100 colloids. The clusters are in a stationary state, constantly moving, and exchanging colloids, they are also colliding, merging and breaking apart. We developed both the colloids, whose synthesis is described, and a high-throughput acquisition and analysis system. We measure the positions, and reconstruct the trajectories of thousands of colloids for a few minutes. From the trajectories, we extract statistical observables. We show that the sizes of clusters increases linearly as a function of the activity of the colloids. The probability distribution functions of sizes are power laws. As the density increases, a jamming transition is observed. The dense phase heterogeneous dynamics is characterized. We study the transition from the dense phase to a low density assembly with sedimentation experiments. The low density phase behaves as an ideal gas, allowing the definition of an effective temperature. We measure an equation of state for the system, and propose a heuristic collapse
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Bock, Florian. "Active learning of interatomic potentials to investigate thermodynamic and elastic properties of Ti0.5Al0.5N at elevated temperature." Thesis, Linköpings universitet, Teoretisk Fysik, 2021. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-176587.
Full textAbstract:
With the immense increase in the computational power available for the material science community in recent years, a range of new discoveries were made possible. Accurate investigations of large scale atomic systems, however, still come with an extremely high computational demand. While the recent development of Graphics Processing Unit (GPU) accelerated supercomputing might offer a solution to some extent, most well known electronic structure codes have yet to be fully ported to utilize this new power. With a soaring demand for new and better materials from both science and industry, a more efficient approach for the investigation of material properties needs to be implemented. The use of Machine Learning (ML) to obtain Interatomic Potentials (IP) which far outperform the classical potentials has increased greatly in recent years. With successful implementation of ML methods utilizing neural networks or Gaussian basis functions, the accuracy of ab-initio methods can be achieved at the demand of simulations with empirical potentials. Most ML approaches, however, require high accuracy data sets to be trained sufficiently. If no such data is available for the system of interest, the immense cost of creating a viable data set from scratch can quickly negate the benefit of using ML. In this diploma project, the elastic and thermodynamic properties of the Ti0.5Al0.5N random alloy at elevated temperature are therefore investigated using an Active Learning (AL) approach with the Machine Learning Interatomic Potentials (MLIP) package. The obtained material properties are found to be in good agreement with results from computationally demanding ab-initio studies of Ti0.5Al0.5N, at a mere fraction of the demand. The AL approach requires no high accuracy data sets or previous knowledge about the system, as the model is initially trained on low accuracy data which is removed from the training set (TS) at a later stage. This allows for an iterative process of improving and expanding the data set used to train the IP, without the need for large amounts of data.
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Duzgun, Ayhan. "THEORETICAL STUDIES OF NONUNIFORM ORIENTATIONAL ORDER IN LIQUID CRYSTALS AND ACTIVE PARTICLES." Kent State University / OhioLINK, 2018. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=kent1513692638617845.
Full text
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Peshkov, Anton. "Approche Boltzmann-Ginzburg-Landau pour les modeles simples de la matiere active." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00921017.
Full textAbstract:
Le phénomène de mouvement collectif est présent parmi beaucoup de systèmes biologiques comme dans les volées d'oiseaux ou des bancs de poissons. Dans ces systèmes, le mouvement collectif apparait sans aucun leader ni force extérieure et est exclusivement dû à l'interaction parmi les individus et à la nature hors-équilibre de tout le système. Nous voulons étudier des modèles simples de mouvement collectif afin d'établir des classes d'universalité parmi la matière active sèche, c'est-à-dire des individus interagissant sans l'aide d'un fluide. Beaucoup de ces systèmes ont déjà été étudiés microscopiquement. Nous voulons obtenir des équations hydrodynamiques de ces systèmes pour confirmer les résultats microscopiques et pour prédire des propriétés nouvelles. Nous effectuons une dérivation d'équations hydrodynamiques en utilisant l'approche Boltzmann-Ginzburg-Landau introduit dans cette thèse. Quatre modèles de type Vicsek sont considérés. Un modèle polaire simple identique au modèle de Vicsek, un modèle mixte avec des particules polaires avec interactions nématiques, un modèle avec des particules polaires et interactions nématiques et finalement un modèle avec des particules polaires avec des interactions non-métriques. Dans chaque cas les équations obtenues sont étudiées de façon analytique et numérique. Nous trouvons que les équations obtenues reproduisent de façon fidèles les propriétés qualitatives des modèles microscopiques considérées, comme les différentes phases observées et la nature de transition entre ces phases. Dans certains cas des phases nouvelles sont trouvées, qui n'ont pas été reportées auparavant dans les modèles microscopiques. Beaucoup d'entre elles ont été confirmées a posteriori dans les simulations numériques de ces modèles.
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Zakine, Ruben. "Interactions médiées dans la matière molle et tension de surface des fluides actifs." Thesis, Université de Paris (2019-....), 2019. http://www.theses.fr/2019UNIP7080.
Full textAbstract:
Cette thèse aborde deux thématiques chères à la matière molle, à savoir, l’apparition d’interaction médiées par le milieu entre objets de taille nanométrique ou micrométrique, et la notion de tension de surface dans les systèmes hors de l’équilibre. La première partie de cette thèse est consacrée à l’étude de systèmes dans lesquelles les interactions entre particules sont médiées par un champ fluctuant. Nous étudions dans un premier temps un système hors d’équilibre et nous montrons que l’existence d’interactions médiées associées à l’activité des particules qui place le système hors de l’équilibre conduit à la formation de structures complexes. Nos prédictions s’appuient sur des méthodes de mécanique statistique mais surtout sur des méthodes de dynamique non-linéaire utilisées pour prédire l’apparition de motifs dans les systèmes dans lesquels il existe une quantité conservée. Le seconde étude de cette partie est dédiée à l’explication des interactions émergentes observées expérimentalement dans des systèmes de particules colloidales insérées dans des phases lamellaires lyotropiques. En partant de la description microscopique des interactions entre particules et couches de surfactants, nous calculons de façon exacte la force effective qui émerge entre particules seulement. Ces résultats analytiques sont ensuite utilisés pour distinguer et identifier, parmi deux types possibles d’interactions entre lamelles et particules, lequel est observé dans notre système expérimental à l’étude. La seconde partie de cette thèse s’attache à identifier la notion de tension de surface dans les fluides actifs. Nous parvenons à proposer une définition de la tension de surface qui relie les forces macroscopiques aux forces microscopiques existant entre particules, ou entre particules et un mur confinant. Lorsque le fluide actif est en contact avec un mur, la tension de surface solide-fluide est en général d’une nature plus complexe que celle que l’on peut définir pour son analogue d’équilibre. Par ceci, nous entendons que la valeur mesurée de la tension de surface peut dépendre de la géométrie ou d’autres détails de l’appareil de mesure utilisé. Nous montrerons également que des appareils de mesure correctement choisis permettent d’accéder à une tension de surface intrinsèque au matériau(et non plus à la géométrie), caractéristique d’une variable d’état d’équilibre. Les séparations de phases de type liquide-vapeur peuvent être également rencontrées dans les assemblées de particules auto-propulsées, lorsque celles-ci sont sujettes à une séparation de phase induite par la motilité. Nous montrons alors que la tension de surface associée à l’interface liquide-vapeur possède une définition mécanique cohérente avec avec son interprétation d’équilibreThis thesis focuses on two topics ubiquitous in soft matter: first, mediated interactions between nano-to-micrometer sized objects, second, surface tension in out-of-equilibrium systems. The first part of this thesis is devoted to the properties of a system of particles whose interactions are mediated by a fluctuating background. We start with a nonequilibrium study and we show that the combination of mediated interactions and of the nonequilibrium drive leads to complex structures. Our predictions, beyond statistical mechanical methods, rest on extending the methods of nonlinear dynamics in pattern forming systems, to systems with a local conservation law. The second study of this part is dedicated to an equilibrium experimental system of colloidal particles embedded in lyotropic lamellar phases. Relying on a bottom-up approach, we implement the details of the interaction between each colloidal particle and each lamella to come up with an exact description of the effective force emerging between colloids. These analytical results are then used to discriminate between two types of interaction, both being possibly encountered in experiments. The second part of this thesis focuses on the notion of surface tension for interfaces involving active fluids. We will come up with a definition relating macroscopic forces to microscopic ones, either between particles or, when applicable, between particles and a confining medium. When the active fluid is in contact with a solid boundary, the solid-fluid surface tension is, in general, a more complex quantity than its equilibrium counterpart. By this we mean that its value may depend on the geometry or other details of the measuring device. We will also show that a carefully designed probe allows us to access an equation-of-state-abiding surface tension akin to its equilibrium counterpart. Liquid-vapor interfaces can also be encountered in assemblies of self-propelled particles when these undergo a motility-induced phase separation. We show also that the surface tension associated to a liquid-vapor interface possesses a mechanical definition that echoes the equilibrium one
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Carrat, Vincent. "Correction dynamique d'un SLM pour une holographie de haute fidélité. Réalisation d'un MOT-2D pour l'application de modes de Laguerre-Gauss." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00820557.
Full textAbstract:
Cette thèse concerne la production et le contrôle d'hologrammes de haute qualité par un modulateur de phase à cristaux liquides (SLM) et l'utilisation de ces hologrammes pour la manipulation d'atomes froids. Ces hologrammes utilisés pour mettre en forme des faisceaux lasers et créer des potentiels dipolaires doivent être de bonne qualité. Or le SLM a des défauts qui peuvent les dégrader. Pour mesurer ces défauts nous avons développé une méthode reposant sur la mesure par polarimétrie de la biréfringence du SLM. La cartographie de biréfringence permet de mesurer l'hologramme en temps réel sans perturber l'expérience en cours. C'est donc une mesure in-situ. Une fois mesurés les défauts sont corrigés par une rétroaction sur la consigne donnée au SLM. Pour le démontrer nous avons créé un défaut artificiel avec un pointeur laser et nous l'avons réduit à λ/7 soit une amélioration de 42 %. Ensuite avec l'objectif d'appliquer des potentiels produit par un SLM aux atomes froids, j'ai dessiné, conçu puis réalisé en partie une expérience basée sur un jet d'atomes froids de rubidium issu d'un MOT-2D. Dans le chapitre correspondant je présente une étude de la faisabilité d'une expérience de guidage du jet d'atomes froids par un mode de Laguerre Gauss désaccordé vers le bleu de la transition. Nous avons montré que dans un tel guide le chauffage par émission spontanée est plus faible que dans un guide gaussien usuel désaccordé vers le rouge de la transition. De plus en réduisant la divergence naturelle du jet issu du MOT-2D nous devrions augmenter le flux d'atomes et améliorer l'efficacité de chargement d'un MOT-3D par un MOT-2D.
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Miño, Gaston. "Diffusion, rhéologie et microrhéologie de suspension de fluides actifs bactériens confinées dans des dispositifs microfluidiques." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00785349.
Full textAbstract:
Pour ma thèse, j'ai étudié trois problèmes autour des propriétés de transport des suspensions actives. J'ai utilisé principalement des suspensions de bactéries Escherichia Coli mais aussi des systèmes de nageurs artificiels auto-propulsés. En premier lieu, j'ai étudié l'activation du mouvement Brownien de particules passives dans une suspension de bactéries, près d'une surface. En utilisant diverses solutions et diverses conditions expérimentales permettant de changer les conditions de nage des bactéries et le confinement, j'ai montré que la diffusivité des traceurs passifs augmente linéairement avec ce que j'ai défini comme le flux actif de la suspension; c'est à dire la concentration de nageurs actifs multipliée par leur vitesse moyenne de nage. De manière générale, le confinement entre deux parois ou par rapprochement d'une paroi, montre un meilleur transfert de la quantité de mouvement qui a pour conséquence une augmentation du facteur de couplage entre diffusivité et fluide actif. Le remplacement des bactéries par des nageurs artificiels comme des bâtonnets bi-métalliques en condition réductrice produit des résultats identiques. Deuxièmement, j'ai étudié la modification de la viscosité d'un fluide produite par la présence d'entités autopropulsées. Il a été montré théoriquement que la présence de nageurs du type "pousseurs" comme les bactéries, réduit la viscosité de la suspension à une valeur inférieure de celle du fluide porteur. Le manque de résultats expérimentaux qui mettent en évidence cet effet au sein d'une suspension (cela été montré pour des films liquides minces), nous a poussé à fabriquer un rhéomètre microfluidique en forme d'Y permettant d'étudier la réponse rhéologique d'une suspension d'E. Coli. Des résultats préliminaires révèlent un comportement non Newtonien de la suspension active avec une baisse de viscosité du liquide aux faibles taux de cisaillement et aux faibles fractions volumiques. Troisièmement, j'ai proposé d'étudier les effets de dispersion et de transport de solutions E. Coli dans un micro-canal rectangulaire possédant une constriction en son centre. Dans un tel milieu confiné, les interactions avec les parois ainsi que la géométrie du canal jouent un rôle essentiel sur les propriétés de transport. Mes résultats, de façon inattendue, montrent que l'écoulement dans un canal produit une re-concentration en bactéries après la constriction et que cet effet est contrôlé par l'écoulement même.
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Girard, Philippe. "Membranes hors d'équilibre : échanges et transport actif." Phd thesis, Université Paris-Diderot - Paris VII, 2004. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00006588.
Full textAbstract:
Les membranes biologiques sont le centre de nombreux phénomènes hors équilibres qui sont essentiels pour les cellules. Pour une description physique plus complète des biomembranes, nous avons étudié, théoriquement et expérimentalement, les effets de deux processus hors équilibres sur les propriétés de membranes artificielles. Premièrement, nous avons développé une théorie, complètement covariante, des membranes qui sont soumises à des échanges de matériels biologiques (i.e. lipides, enzymes et protéines membranaires). Avec cette description, l'étude des fluctuations de telles membranes nous a montré que, sous certaines conditions, celles-ci peuvent devenir instables en développant un long et fin tubule qui présente certaines similitudes morphologiques avec les membranes des organelles. Nous avons appliqué ce modèle avec succès pour décrire le phénomène de fusion observé expérimentalement entre de petites et de grosses vésicules chargées mimant le phénomène d'endocytose. Deuxièmement, nous avons étudié les effets de l'activité des protéines membranaires sur le spectre des fluctuations. Un modèle théorique qui prend en compte l'activité hors-équilibre des protéines prévoit une amplification des fluctuations lorsqu'un bruit hors-équilibre s'ajoute au bruit thermique. Pour tester expérimentalement ces prévisions, nous avons reconstitué une pompe ATP-dépendante, l'ATPase-Ca2+ dans des vésicules géantes unilamellaires. Puis grâce à la technique d'aspiration par micropipette, nous avons mis en évidence à la fois une décroissance du module de courbure liée à la présence des protéines dans la membrane, et une augmentation des fluctuations dans les membranes actives.
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D'Alessandro, Joseph. "Collective regulation of the amoeboid motility : the role of short and long-range interactions in vegetative Dictyostelium discoideum." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSE1039/document.
Full textAbstract:
La motilité cellulaire est fondamentale dans de nombreux processus physiologiques, qu’ils soient normaux ou pathologiques. Cependant, bien que ces derniers impliquent la plupart du temps de nombreuses cellules se mouvant en même temps, les effets des interactions entre cellules sur leur dynamique, à la fois individuelle et collective, restent assez mal connu. Dans cette thèse, j’ai utilisé Dictyostelium discoideum à l’état végétatif pour étudier cette régulation collective de la motilité. Je me suis principalement appuyé sur une analyse minutieuse de nombreuses trajectoires cellulaires dans des situations variées pour (i) caractériser un facteur sécrété qui régule négativement la motilité cellulaire (nature chimique, voie de signalisation, dynamique de sécrétion et de réponse) et (ii) analyser et modéliser quantitativement la dynamique d’étalement de colonie cellulaires de forme, dimension et densité contrôlées. Je décris enfin un phénomène d’agrégation dynamique observé lorsque les cellules sont placées à haute densité dans un milieu nutritifCell motility is fundamental in many physiological, either normal or pathological, phenomena. Yet, although these most often involve several cells moving at the same time, how the interactions between cells affect both individual and collective dynamics remains a poorly understood question. In this thesis, I used vegetative Dictyostelium discoideum cells as a model to study this collective regulation of the motility. I relied mainly on the thorough analysis of numerous cell trajectories in various situations to (i) characterise a secreted factor used to down-regulate the cells’ motility (biochemical nature, response pathway, secretion and response dynamics) and (ii) quantitatively analyse and model the dynamics of spreading cell colonies of controlled initial shape, size and density. Last, I describe a dynamic aggregation phenomenon that occurs when the cells are seeded at high density in a nutrient-rich medium
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Morin, Alexandre. "Colloidal flocks in challenging environments." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSEN047/document.
Full textAbstract:
Le déplacement cohérent dirigé au sein de troupeaux, d’essaims, de nuées, prend place à toutes les échelles du vivant. En cherchant à rationaliser l’émergence de tels mouvements collectifs, les physiciens ont décrit ces assemblées comme des matériaux actifs. Ces matériaux sont formés de constituants auto-propulsés qui se déplacent spontanément dans une direction commune. Cette thèse expérimentale s’appuie sur la réalisation de troupeaux synthétiques pour explorer les propriétés de la matière active polaire dans des situations défavorables à son auto-organisation : leur dynamique en milieux désordonnés et leur réponse à des perturbations externes. Des rouleurs colloïdaux aux interactions d’alignement sont confinés au sein de dispositifs microfluidiques. Au-delà d’une densité seuil, ils forment un troupeau caractérisé par l’émergence d’un ordre en orientation de longue portée. Ces troupeaux colloïdaux font office de prototypes de la matière active polaire. Nous avons étudié la réponse d’un liquide actif polaire assemblé à partir de rouleurs colloïdaux. Nous avons montré que face à une perturbation longitudinale leur réponse est hystérétique. Nous avons expliqué théoriquement ce comportement non-linéaire et l’avons exploité pour réaliser des oscillateurs microfluidiques autonomes. Nous avons également étudié la dynamique de troupeaux colloïdaux qui se propagent dans des environnements hétérogènes. La présence d’obstacles distribués aléatoirement focalise les troupeaux le long de chemins privilégiés qui forment un réseau épars et tortueux. Augmenter le désordre conduit à la destruction du troupeau. Nous avons démontré que la suppression du mouvement collectif consiste en une transition discontinue, générique à tous les matériaux actifs polairesDirected collected motion within herds, swarms and flocks, is a phenomenon that takes place at all scales in living systems. Physicists have rationalized the emergence of such collective behavior. They have described these systems as active materials. These materials are assembled from self-propelled units that spontaneously move in the same direction. By experimentally studying synthetic flocks, this work uncovers some properties of polar active materials in situations that disfavor their self-organization: their dynamics in disordered environments and their response to external perturbations. Colloidal rollers with alignment interactions are confined within microfluidic devices. At high density, they spontaneously form a flock which is characterized by the emergence of orientational long-ranged order. These colloidal flocks are prototypical realizations of polar active matter. We have studied the response of a polar active liquid assembled from colloidal rollers. We have shown that they display a hysteretic response to longitudinal perturbations. We have theoretically accounted for this non-linear behavior. We have used this behavior to realize autonomous microfluidic oscillators. We have also studied the dynamics of colloidal flocks that propagate through heterogeneous environments. Randomly positioned obstacles focalize flocks along favored channels that form a sparse and tortuous network. Increasing disorder leads to the destruction of flocks. We have demonstrated that the suppression of collective motion is a discontinuous transition generic to all polar active materials
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Bohec, Pierre. "Étude du comportement hors-équilibre du cortex cellulaire." Phd thesis, Université Paris-Diderot - Paris VII, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00870466.
Full textAbstract:
La cellule est capable, en consommant l'énergie issue de l'hydrolyse de l'ATP, d'exercer des forces qui prennent leurs origines dans des réactions biochimiques. Un élément important de la cellule est le cytosquelette, composé principalement de microtubules et de filaments d'actine, il en constitue l'architecture et lui donne l'essentiel de ses propriétés mécaniques. Il est composé de polymères réticulés et, du point de vue de la rhéologie, a un comportement viscoélastique. Au sein du cytosquelette, des processus tels que la polymérisation de l'actine ou des microtubules permettent d'exercer des forces. Des protéines, de la famille des moteurs moléculaires, ont pour rôle spécifique de convertir l'énergie stockée sous forme chimique en énergie mécanique. L'activité mécanique hors-équilibre de la cellule est donc directement reliée à ces forces d'origine biochimique. Dans ce travail, nous avons étudié la distribution statistique des forces d'origine biochimique s'exerçant sur une bille de taille micrométrique attachée au cortex d'actine par l'intermédiaire de récepteurs de l'adhésion cellulaire : les intégrines. L'étude des forces d'origine biologique est inséparable de la connaissance des forces d'origine thermique car à cette échelle microscopique la contribution des forces thermiques n'est pas négligeable. Les forces s'exerçant sur la sonde ont deux origines possibles : biologique ou thermique. Notre approche expérimentale est basée sur la combinaison de deux techniques de microrhéologie, active et passive, ce qui nous permet de calculer la fonction d'autocorrélation temporelle des forces exercées sur une sonde accrochée à l'actine corticale et de la comparer à la fonction d'autocorrélation des forces thermiques estimée via le théorème de fluctuation-dissipation. La différence entre ces deux spectres nous donne une idée de la contribution des forces d'origine biologique au mouvement de la bille et une mesure de l'écart du système à l'équilibre thermodynamique. Afin d'étudier plus en détail ce système de bille subissant des forces de la part de l'actine corticale, nous avons étudié l'effet de la variation de la densité de ligand recouvrant la bille. La question qui nous a animés tout au long de ce travail est l'origine de ces forces biologiques ou plus exactement la nature du composant du cytosquelette qui exerce ces forces athermiques. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence de la température sur ces forces biologiques. Nous avons ensuite étudié l'effet de la déplétion de l'ATP dans la cellule, de la dépolymérisation de l'actine et de l'inhibition des moteurs moléculaires de la famille des myosines.
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Derue, Lionel. "Stabilisation thermique de la couche photo-active dʼune cellule solaire organique par réticulation." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00933501.
Full textAbstract:
Dans une configuration optimale, la couche photo-active d'une cellule solaire organique forme une hétérojonction volumique entre un matériau donneur et un matériau accepteur d'électrons. Cette morphologie optimale se trouve dans un état thermodynamique métastable. En cours de fonctionnement, l'absorption incidente provoque une élévation de la tempéra- ture des dispositifs. L'apport d'énergie thermique au système le fait évoluer vers un état thermodynamique stable correspondant à une micro-séparation de phase entre les deux matériaux nuisible aux performances photovoltaïques du dispositif. La solution à cette problématique envisagée dans cette thèse est de figer la morphologie optimale de la couche photo-active par réticulation chimique. Dans le but de prévenir la diffusion et la cristallisation des dérivés du fullerène, plusieurs approches ont été étudiées : la formation d'une maille de polymères réticulés, l'accroche des dérivés du fullerène aux chaînes du polymères ou la liaison entre plusieurs dérivés du fullerène. Les différentes fonctions réticulantes utilisées dans ces approches sont l'allyle, le cinnamate, l'anthracène et l'azoture. Au cours de ces travaux, des résultats satisfaisants ont été obtenus avec la fonction azoture. Basé sur cette fonction, nous avons développé un additif qui permet d'augmenter notablement la stabilité thermique des cellules solaires réticulées. Cette approche a été validée sur plusieurs couples de matériaux polymères/dérivés du fullerène à l'état de l'art.
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Wei, Xiaomin. "Study and improvement of radiation hard monolithic active pixel sensors of charged particle tracking." Phd thesis, Université de Strasbourg, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00953382.
Full textAbstract:
Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) are good candidates to be used in High Energy Physics (HEP) experiments for charged particle detection. In the HEP applications, MAPS chips are placed very close to the interaction point and are directly exposed to harsh environmental radiation. This thesis focuses on the study and improvement of the MAPS radiation hardness. The main radiation effects and the research progress of MAPS are studied firstly. During the study, the SRAM IP cores built in MAPS are found limiting the radiation hardness of the whole MAPS chips. Consequently, in order to improve the radiation hardness of MAPS, three radiation hard memories are designed and evaluated for the HEP experiments. In order to replace the SRAM IP cores, a radiation hard SRAM is developed on a very limited area. For smaller feature size processes, in which the single event upset (SEU) effects get significant, a radiation hard SRAM with enhanced SEU tolerance is implemented by an error detection and correction algorithm and a bit-interleaving storage. In order to obtain higher radiation tolerance and higher circuitry density, a dual-port memory with an original 2-transistor cell is developed and evaluated for future MAPS chips. Finally, the radiation hardness of the MAPS chips using new available processes is studied, and the future works are prospected.
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Wouters, Denis. "Recherche de nouveaux bosons légers en astronomie de haute énergie." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01065648.
Full textAbstract:
L'astronomie de haute énergie se concentre sur l'étude des phénomènes les plus violents de l'univers à partir d'observations dans une gamme d'énergie allant des rayons X aux rayons gammas de très hautes énergies (1 keV - 100 TeV). Ces phénomènes incluent par exemple les explosions de supernovae et leurs vestiges, les pulsars et les nébuleuses de vent de pulsar ou encore la formation de jets ultrarelativistes au niveau des noyaux actifs de galaxie. Leur compréhension fait appel à des processus de physique des particules bien connus qui seront décrits dans cette thèse. Par l'intermédiaire de photons de haute énergie, l'étude de ces phénomènes de haute énergie ouvre donc une fenêtre originale pour la recherche de physique au delà du modèle standard. Les concepts relatifs à l'émission et la propagation de photons de haute énergie sont introduits dans cette thèse et appliqués à l'étude de l'émission de sources extragalactiques ainsi que du fond de lumière extragalactique, affectant la propagation des photons de haute énergie dans l'univers. Dans le cadre de cette thèse, ces sources extragalactiques de photons de haute énergie sont observées afin de rechercher de nouveaux bosons légers, tels que ceux appartenant à la famille des particules de type axion (PTA). Les bases théoriques décrivant cette famille de particules sont présentées, ainsi que la phénoménologie associée. Notamment, en raison de leur couplage à deux photons, ces particules ont la propriété d'osciller avec des photons en présence de champ magnétique externe. Une nouvelle signature de la présence de telles oscillations dans des champs magnétiques turbulents, sous la forme d'irrégularités stochastiques dans le spectre en énergie, est étudiée et discutée. Cette signature est appliquée à la recherche de PTA avec le réseau de télescopes HESS, permettant d'obtenir pour la première fois des contraintes sur ces modèles à partir d'observations en astronomie gamma. La recherche de la même signature dans des observations en rayons X permet d'améliorer les contraintes actuelles pour les PTA de très basse masse et l'extension de ces contraintes à des modèles de modification de la gravité comme explication de la nature de l'énergie noire est également évoquée. Enfin, la recherche de PTA avec l'instrument d'astronomie gamma du futur, CTA, est discutée; en particulier, une nouvelle observable est proposée qui tire partie du grand nombre de sources attendu avec cet instrument.
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Fischer, Andreas [Verfasser]. "Self-organization of active matter: The role of interactions / Andreas Fischer." Mainz : Universitätsbibliothek der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 2020. http://d-nb.info/1224896599/34.
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James, Martin [Verfasser]. "Turbulence and pattern formation in continuum models for active matter / Martin James." Göttingen : Niedersächsische Staats- und Universitätsbibliothek Göttingen, 2020. http://d-nb.info/1225555973/34.
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Teeffelen, Sven van [Verfasser]. "Active and passive soft matter: crystal growth, confinement, and swimming / Sven van Teeffelen." Aachen : Shaker, 2009. http://d-nb.info/1162789883/34.
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Heuermann, Geertje [Verfasser], and J. [Akademischer Betreuer] Blümer. "Active Shielding for Future Large-Scale Dark Matter Experiments / Geertje Heuermann. Betreuer: J. Blümer." Karlsruhe : KIT-Bibliothek, 2016. http://d-nb.info/1095665391/34.
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Alaimo, Francesco [Verfasser], Axel [Gutachter] Voigt, and Igor [Gutachter] Aronson. "Phase Field Crystal Modeling of Active Matter / Francesco Alaimo ; Gutachter: Axel Voigt, Igor Aronson." Dresden : Technische Universität Dresden, 2019. http://d-nb.info/1226900887/34.
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Duman, Özer [Verfasser], Gerhard [Gutachter] Gompper, and Stefan [Gutachter] Klumpp. "Collective Behaviour of Polar Active Matter in Two Dimensions / Özer Duman ; Gutachter: Gerhard Gompper, Stefan Klumpp." Köln : Universitäts- und Stadtbibliothek Köln, 2018. http://d-nb.info/1153543400/34.
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Vandebrouck, Marine. "Première mesure des résonances géantes isoscalaires dans un noyau exotique riche en neutrons : le 68Ni avec la cible active Maya." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00872712.
Full textAbstract:
L'étude des résonances géantes monopolaires isoscalaires (ISGMR) et des résonances géantes quadrupolaires isoscalaires (ISGQR) dans les noyaux stables, a permis d'obtenir ces dernières décennies des informations fondamentales sur la structure et la matière nucléaire. En particulier, le centroïde de la ISGMR peut être relié au module d'incompressibilité de la matière nucléaire infinie. Des données dans les noyaux exotiques nous aideraient à contraindre ce module d'incompressibilité. Dans les noyaux instables, une seule mesure a, à l'heure actuelle, été réalisée (56Ni). Afin d'étudier l'évolution de la ISGMR et de la ISGQR le long d'une chaîne isotopique, des mesures dans un noyau exotique riche en neutrons sont donc nécessaires.L'expérience étudiée dans cette thèse a été réalisée au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL) à Caen en septembre 2010. Un faisceau de 68Ni à 50 AMeV et d'une intensité de 10^4 pps a été produit et purifié sur la ligne LISE. Les réactions de diffusion inélastique de particules alpha (alpha, alpha') et de deutons (d,d') sur 68Ni en cinématique inverse ont été étudiées avec la cible active Maya. Il s'agit de la première mesure de la ISGMR et de la ISGQR dans un noyau instable riche en neutrons.Pour chaque expérience, le spectre en énergie d'excitation a été reconstruit et les distributions angulaires étudiées par deux méthodes indépendantes. Les sections efficaces expérimentales ont été comparées à celles issues de calculs DWBA utilisant des densités de transition RPA. L'analyse en (alpha, alpha') a permis l'observation d'une ISGMR fragmentée avec un épaulement à 21.1+/-0.6 MeV, d'une ISGQR concentrée à 16.9+/-0.8 MeV qui épuise 61+/-17% de la règle de somme pondérée en énergie (EWSR). De plus, un mode " soft GMR ", prédit mais jamais observé, a été identifié à 13.4+/-0.5 MeV. Tous ces résultats sont confirmés par l'analyse en (d,d'), à l'exception de l'observation de la ISGQR pour laquelle les conditions de fonctionnement n'étaient pas favorables.
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Thüroff, Florian Peter [Verfasser], and Erwin [Akademischer Betreuer] Frey. "Collective motion in active matter : from microscopic models to macroscopic dynamics / Florian Peter Thüroff. Betreuer: Erwin Frey." München : Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität, 2014. http://d-nb.info/1080122400/34.
Full text
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Lozenko, Sergii. "Heavy metal ion sensors based on organic microcavity lasers." Phd thesis, École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00744846.
Full textAbstract:
Monitoring of environmental pollutants present at low concentrations requires creation of miniature, low-cost, and highly sensitive detectors that are capable to specifically identify target substances. In this thesis, a detection approach based on refractive index sensing with polymer micro-lasers is proposed and its application to the detection of heavy metal pollutants in water (mercury - Hg2+, cadmium - Cd2+ and lead - Pb2+) is studied. The resonance frequencies of the microcavity are highly sensitive to the refractive indices of the resonator surrounding: the resonances shift by a small amount when the surface refractive index changes, resulting from the interaction of the mode evanescent field with the surrounding medium. This permits label-free detection by coating the resonator with a suitable recognition species. The originality of this work lies in the utilization of active microcavities, or microlasers, created of the dye-doped polymers. Active microcavities offer an enhanced signal/noise ratio as compared to the passive ones and very narrow resonance peaks even at moderate quality factors (Q ≥- 6000). The choice of polymers as an active medium is connected with a number of advantages they offer: as opposite to semiconductors, polymers can be easily functionalized, integrated in microfluidic circuits and are cheaper in processing. Moreover, the use of porous polymer matrices may allow accumulation of analyte ions inside the microcavity and thus enhance the sensitivity. Two possible applications of microlasers are investigated in the thesis: refractive index variation sensing with non-functionalized cavities and heavy metal ion detection with functionalized cavities. In the first case, the sensitivity values have been obtained, comparable with the reported in literature for planar passive microresonators. In the second case, the experimental proofs of specific detection of mercury ions in liquid are presented. The ways of sensitivity improvement are discussed and verified and a foundation is layed for the creation of integrated Lab-on-Chip microfluidic biochemical detector.
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Navarro, Argemí Eloy. "Hydrodynamic effects on active colloidal suspensions." Doctoral thesis, Universitat de Barcelona, 2018. http://hdl.handle.net/10803/665006.
Full textAbstract:
The goal of this thesis is studying hydrodynamic effects on active colloidal suspensions. Hydrodynamic interaction is propagated through the fluid in which the colloids displace due to the flow they create during their motion. It can lead to the emergence of collective phenomena, such as the self-assembly of more complex structures. Hydrodynamic interactions are not the only present in the system, since other forces may be acting between colloids, or there can be external fields acting on them such as gravity. We present our study for two different systems: magnetic colloids and Janus particles. When applying a circular magnetic field, we can induce a rotation to a particle possessing a magnetic moment. Due to the coupling of the flow with the one created by surrounding particles and with system interfaces, a rotor will eventually self-propel. Two magnetic moments interact with each other through the magnetic dipole-dipole force, which tends to align them into arrays. We study how the balance between hydrodynamic, magnetic and gravitational forces determines the morphology of the structures magnetic colloids can form. Janus particles have two faces with different chemical properties, thus the interaction between them depends on their relative orientation. We study the morphology and order of the structures that can emerge for these particles as a function of the intensity, sign and reach of the interaction between them, as well as the type of flow they create when self-propelling. Methodologically, we have combined the use of far-field theory to draw analytical expressions that have given us qualitative insight on the results we could expect with high-performance computing simulations which have allowed us to extend our study to bigger systems.En aquesta tesi ens proposem estudiar els efectes hidrodinàmics en suspensions col·loidals actives. La interacció hidrodinàmica es propaga a través del fluid en el que es desplacen els col·loids degut al flux que ells mateixos creen durant el seu moviment, podent donar lloc a l’emergència de fenòmens col·lectius, com l’autoorganització en estructures més complexes. Les interaccions hidrodinàmiques no són les úniques presents en el sistema, ja que pot haver-hi d’altres forces actuant entre els col·loids, o podem considerar l’efecte d’altres camps com la gravetat. Presentem el nostre estudi per a dos sistemes diferents: col·loids magnètics i partícules Janus. En aplicar un camp magnètic circular, es pot induir una rotació a una partícula que posseeixi un moment magnètic. Degut a l’acoplament del flux amb el creat per altres partícules i les parets del sistema, un rotor pot acabar desplaçant-se. Dos moments magnètics interactuen entre ells mitjançant la força dipolar, que afavoreix el seu alineament i la formació de cadenes de col·loids. Estudiem com el balanç entre interaccions hidrodinàmiques, magnètiques i efectes gravitatoris afecta a la morfologia de les estructures que poden formar els col·loids magnètics. Les partícules Janus tenen dues cares amb propietats químiques diferents, quelcom que dóna lloc a una interacció entre elles que depèn de la seva orientació relativa. Estudiem les estructures que poden aparèixer per a aquestes partícules com a funció de la intensitat, signe i abast d’aquesta interacció, així com de la forma del flux que creen en desplaçar-se. Metodològicament, hem combinat expressions analítiques aproximades per tenir una idea qualitativa dels fenòmens que hom pot esperar amb simulacions per ordinador per poder estudiar els fenòmens col·lectius en sistemes de més partícules.
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op, den Kelder Antonia. "Effects of climate change and organic matter content on modelled active layer thickness and the thermal state of permafrost in Adventdalen, Svalbard." Thesis, Stockholms universitet, Institutionen för naturgeografi, 2017. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:su:diva-147526.
Full textAbstract:
Climate change has already had an impact on the environment; this impact is expected to increase in the future. The Polar Regions are highly vulnerable to climate change because of polar amplification. Large amounts of carbon are stored in permafrost in the form of organic matter. Climate change and changes in land-use can destabilize these carbon reservoirs. This can lead to large emissions of greenhouse gasses to the atmosphere, and with that, increase the rate of climate change. It is crucial to know the effects of climate change on permafrost. This thesis uses the CoupModel5 to model the effects of climate change on the permafrost at the UNISCALM site, Adventdalen, Svalbard. Next to that, the effect of the presence of organic matter in relationship to climate change is investigated. High-resolution hydro-climatic data from the UNISCALM site is used as boundary conditions in the model set-up. The model is run for the period 1976-2013. The results are validated with sub-surface temperature data. After that, the same model set-up is used and the temperature is increased according to the temperature data from the Representative Concentration Pathways (RCPs) scenarios: RCP2.6,RCP4.5, RCP6.0, and RCP8.5, for the period 2014-2100. It is investigated how the thermal state of the permafrost and the active layer thickness (ALT) will be affected. Two alternate scenarios areinvestigated; (S2) 10 cm organic matter layer, and (S3) 50 cm organic matter layer. All RCPs show an increase in sub-surface temperature. For S1, until 2050 the RCPs follow a similar pattern, after that they start to diverge. RCP2.6 experiences only a slight increase until 2100. RCP4.5 and RCP6.0 are relatively similar until approximately 2080, from that point on the ALT from RCP6.0 plots consistently below RCP4.5. RCP8.5 shows a steady increase in temperature from 2050-2080. Around 2080 the permafrost starts to collapse and the permafrost degradation occurs rapidly. The different organic matter scenarios follow roughly the same pattern, but differ in magnitude and timing. When more organic material is present, the ALT varies less over time. Next to that, the response time is slower if organic material is present. The mean annual temperature for RCP8.5 is above 0 °C from2080. This indicates that the mean annual temperature plays a significant role in permafrost degradation. The projected temperatures for RCP4.5 and RCP6.0 are expected to be above 0 °C in the 22nd century, indicating that the permafrost will collapse under every climate change scenario, apartfrom RCP2.6. The different reactions to change in climate for the organic matter scenarios can be attributed to the difference in thermal conductivity between organic matter (low thermal conductivity) and mineral soils (high thermal conductivity). This indicates that permafrost areas where organicmaterial is present will react less to fluctuations in temperatures than when no organic material is present. Overall, it can be concluded that climate change will have an enormous impact on permafrost and that it is crucial to include it in the global climate models.
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DiScipio, Regina. "Light, Matter, Action: Electronic Relaxation Processes in Biomolecular Photosensitizers and in Photovoltaics." Case Western Reserve University School of Graduate Studies / OhioLINK, 2018. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=case1522958286743542.
Full text
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Huber, Lorenz Andreas Horst [Verfasser], and Erwin [Akademischer Betreuer] Frey. "Self-organization in multifaceted active matter systems : impact of microscopic diversity on pattern formation, emergent order, and phase transitions / Lorenz Andreas Horst Huber ; Betreuer: Erwin Frey." München : Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität, 2019. http://d-nb.info/1207757721/34.
Full text
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Jenouvrier, Pierre. "Relations entre propriétés spectroscopiques et microstructurales de couches minces de titanates de terres rares élaborées par sol-gel et intégration dans des dispositifs actifs." Phd thesis, Grenoble INPG, 2003. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00004400.
Full textAbstract:
Le développement de couches minces dopées terres rares a suscité un regain d'intérêt au cours des dernières années. Dans ce rapport, nous présentons l'élaboration de couches minces de titanate de terres rares de type Y2-xLnxTi2O7 (Ln=Er, Tm, Yb, Nd) par procédé Aérosol-gel et leur caractérisation. Le procédé Aérosol-gel est une technique de dépôt originale fondée sur la transformation sol-gel d'un film liquide déposé par pulvérisation ultrasonore. Diverses procédures de traitement thermique ont été mises en œuvre de façon à étudier l'influence de la microstructure de la couche mince sur ses propriétés spectroscopiques. Les couches cristallisent dans une phase cubique de type pyrochlore autour de 750-785°C, suivant la durée du traitement. Les couches Y2-xErxTi2O7 (YETO) amorphes et cristallisées présentent une forte émission à 1530 nm lorsqu'elles sont excitées à 977 nm en configuration guidée. Une relation a été établie entre la microstructure de la couche et ses propriétés spectroscopiques. L'élaboration d'une solution solide YETO permet de diluer de façon homogène les ions erbium tout en protégeant efficacement la terre rare des impuretés. Ce travail montre que la concentration d'auto-extinction des couches cristallisées est plus grande (9. 1020 ions/cm3) que celle des couches amorphes (2. 1020 ions/cm3). L'introduction d'ions ytterbium dans la maille YETO permet d'améliorer d'un facteur 10 l'intensité de l'émission à 1530 nm des ions erbium et exacerbe également leur émission par up-conversion dans le vert. Des couches amorphes Y2-x-yTmxYbyTi2O7 ont également été élaborées et présentent une forte émission par up-conversion dans le bleu sous excitation à 977 nm. Des couches YETO ont également été introduites dans des dispositifs optiques élémentaires. Des guides d'ondes confinés (inversés et chargés) ont été fabriqués et caractérisées. Ils présentent une bonne émission à 1530 nm et un bon confinement optique. Une microcavité verticale a également été élaborée en intégrant une couche YETO demi-onde entre deux miroirs de Bragg formés par une alternance de couches SiO2/TiO2. La cavité présente un mode de résonance unique à 525 nm, et l'émission de l'erbium à cette longueur d'onde est augmentée d'un facteur 30.
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CAPRINI, LORENZO. "Statistical Mechanics of Self-Propelled Systems." Doctoral thesis, Gran Sasso Science Institute, 2019. http://hdl.handle.net/20.500.12571/9964.
Full textAbstract:
This thesis aims to unveil the statistical properties of self-propelled microswimmers, a non-equilibrium system in the variegate field of active matter. We shall employ stochastic and hydrodynamics approaches to explain the non-equilbrium behavior of self-propelled entities. We begin by studying suspensions of dilute active particles also in the presence of chirality. The dynamics in the presence of confinement traps is numerically and theoretically investigated employing effective equilibrium theories or effective equations for the moments of the distribution. As far as, the energetics properties of self-propelled particles are unveiled employing stochastic thermodynamic approaches. Besides, the experimental phenomenology of the accumulation near the walls is reviewed and original contributions to its theoretical understanding are developed, employing suitable hydrodynamic approaches and detecting their transport properties. Collective fascinating phenomena displayed by self-propelled unities are reviewed and numerically investigated, featuring new long-range orders in the velocity orientations which were not unveiled, up to now. In particular, the non-equilibrium aggregation phases of Active Matter reveal intriguing new features in the presence of an effective alignment interaction induced by the interplay between self-propulsion and excluded volume effects. Even the dilute phase shows the formation of bond (but unstable) pairs, while for denser suspensions of particles a continuous transition with aligned or vortex-like domains coexists with clustering and motility induced phase separation. The usual scenario of equilibrium aggregation phases is strongly modified even at the denser regimes, where the occurrence of empty moving regions or traveling crystals does not have a passive Brownian counterpart.
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Gassin, Pierre-Marie. "Interfaces Liquides/Liquides Actives: Apport de l'Optique Non Linéaire et de la Tensiométrie." Phd thesis, Université Claude Bernard - Lyon I, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00852294.
Full textAbstract:
Dans le cadre de la séparation sélective pour le traitement et la valorisation des combustibles nucléaires usés, l'extraction liquide/liquide est largement utilisée au niveau industriel. Néanmoins, ce procédé est encore mal compris en ce qui concerne les phénomènes physico-chimiques qui se produisent à l'interface liquide/liquide. Ce travail porte sur la compréhension de la dynamique de l'interface liquide nanométrique durant le transfert d'une espèce entre une phase aqueuse et une phase organique. Deux techniques expérimentales ont principalement été utilisées: la mesure de tension interfaciale et l'optique non linéaire. Ce travail a également donné lieu au développement d'un modèle numérique de dynamique de transfert de phase prenant en compte à la fois des phénomènes de transport diffusif proche de l'interface et une cinétique chimique sur l'interface décrivant les processus d'adsorption/désorption. Des systèmes modèles constitués de molécules surfactantes et/ou chromophores et/ou complexantes ont été étudiés aux interfaces air/liquide et liquide/liquide. L'adsorption/désorption, l'agrégation en surface, la complexation d'ion à une interface liquide et la structuration des systèmes ont ainsi pu être étudiées tant d'un point de vue des états d'équilibre que de la dynamique. Enfin, ces études ont été appliquées à un système d'intérêt industriel utilisé dans le procédé de dépollution DIAMEX.
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Coquelle, Eric. "Propriétés élastiques et viscoélastiques de matériaux composites adaptatifs." Phd thesis, Université de Nice Sophia-Antipolis, 2004. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00009415.
Full textAbstract:
Les élastomères magnétorhéologiques sont des matériaux composites actifs, aux propriétésmécaniques contrôlées par un champ magnétique. Ils sont composés de particules magnétiques,
structurées en chaînes unidirectionnelles au sein d'une matrice élastomère silicone. Les essais sous
champ ont révélé un fort accroissement des propriétés mécaniques : jusqu'à 35kPa pour un module de
62kPa en traction statique, et en dynamique un gain sur E' de 600kPa à ε=1%, qui atteint même
21MPa à ε=10-5 ! Dans ce dernier cas, la structuration en chaînes va de pair avec une nette
augmentation de l'effet Payne et de la dissipation d'énergie, encore accentuée en présence d'un
champ, même modeste (15kA/m). L'hypothèse avancée est un décollement progressif de l'élastomère
des charges sous l'effet des fortes contraintes locales, entre deux particules (en quasi-contact). Pour
faciliter l'étude, un traitement de surface à base de molécules couplantes, fonctionnelles, a été mis au
point. La modélisation a d'abord été effectuée sur un système macroscopique (où tous les paramètres
sont contrôlés), et validée par des simulations par éléments finis (FEM). Une méthode de milieu
effectif prédit le comportement du composites aux charges greffées (avant décollement), tandis qu'une
approche semi-analytique, utilisant un critère de décollement de Griffith, calcule le comportement
viscoélastique du composite MR. La complexité de la microstructure et son évolution ont été évaluées,
sous champ, par des cycles quasi-statiques (aboutissant à des σ de -40kPa à ε=0) et des mesures de
magnétostriction. D'autres propriétés originales peuvent être obtenues : piézorésistivité, bandes
périodiques (guides magnétiques).
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Richier, Mathieu. "Conception de dispositifs actifs de maintien de stabilité pour les véhicules évoluant en milieux naturels." Phd thesis, Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01066614.
Full textAbstract:
La problématique de cette thèse réside dans la caractérisation et le maintien de la stabilité des Véhicules Légers Tout Terrain (VLTT). Elle se concentre plus particulièrement sur le développement de systèmes de sécurité actifs capables à la fois de prévenir le conducteur des risques encourus mais aussi de les limiter afin d'assurer l'évolution du véhicule dans une zone de stabilité prédéfinie. Comme le cadre expérimental privilégié est l'application à la stabilité des quadricycles légers à moteurs, plus connus sous le terme anglophone "quad", une des contraintes du projet a été de se limiter à un système sensoriel bas-coût afin d'être en mesure d'industrialiser un tel système. En premier lieu, les métriques de stabilité (Transfert de Charge Latéral et Longitudinal : TCLa et TCLo) ont été choisies grâce à une étude préliminaire sur la stabilité des VLTT. Par la suite, une modélisation 2D en roulis et en tangage avec la prise en compte des déplacements du pilote sur le véhicule sont présentées, ce qui permet d'estimer respectivement le TCLa et le TCLo uniquement à partir de la mesure de l'accélération latérale et longitudinale. Étant donné que pour la suite des travaux, l'anticipation du risque de renversement latéral est nécessaire, un modèle 2D en lacet du véhicule est proposé afin d'obtenir un modèle analytique décrivant la dynamique latérale du véhicule. La suite du mémoire présente les différentes techniques d'observation proposées pour l'estimation des variables et paramètres non-directement mesurables du modèle en lacet du véhicule et qui influencent sa stabilité latérale : les glissements, les conditions d'adhérence et les inclinaisons du véhicule. Plusieurs observateurs ont été proposés, dont le dernier permet de considérer des conditions d'adhérence différentes entre les essieux avant et arrière en utilisant plus largement les accélérations mesurées. Cela permet d'intégrer les passages de sous- à sur-vireur qu'il est essentiel de considérer quand on étudie la stabilité de ce type de véhicule. Ainsi, l'estimation des glissements est toujours pertinente, ce qui permet d'obtenir par la suite une meilleure prédiction de la métrique de stabilité latérale (TCLa) quel que soit le comportement du véhicule. Puis en s'appuyant sur les estimations des observateurs couplées aux modèles dynamiques du véhicule et sur l'extrapolation des commandes du conducteur sur un horizon de prédiction, il est possible de prédire les évolutions du TCLa. Cette valeur prédite ainsi que les estimations en ligne des métriques de stabilité constituent alors le point d'entrée pour la synthétisation d'un système de sécurité actif dédié aux VLTT. Celui-ci est basé sur la génération d'un retour d'effort au niveau de la gâchette des gaz permettant soit d'informer le pilote du risque encouru par la création d'une sensation de dureté, soit d'imposer le retour complet de la gâchette des gaz, ce qui implique une diminution de la vitesse et donc la réduction du risque. Finalement, dans le cas où il est possible de maîtriser la vitesse du véhicule par l'installation d'un système de rétroaction sur les freins (Quad haut de gamme ou robot mobile), les derniers travaux présentés s'intéressent aux techniques de commande prédictive à modèle afin de calculer en temps-réel la vitesse maximale admissible, qui assure l'évolution du critère de stabilité choisi dans un domaine de stabilité. Les modèles, les observateurs, la prédiction du TCLa et les 2 systèmes de prévention présentés dans ce mémoire ont été validés et testés au travers de simulations avancées et d'essais expérimentaux réalisés sur un quad agricole et un robot autonome. Il apparaît alors qu'en plus d'être efficace pour la prévention des risques de renversement à hautes dynamiques, le système de sécurité est industriellement viable. Cela a été rendu possible grâce à une conception reposant uniquement sur des actionneurs et un système sensoriel, dont les coûts sont en adéquation avec le prix d'un VLTT.
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Diallo, Garcia Sarah. "Les Hydroxyapatites, un système basique atypique modulable par la synthèse : vers l'identification des sites actifs." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00828591.
Full textAbstract:
Les Hydroxyapatites (HAp) sont des matériaux basiques dont les propriétés catalytiques atypiques, notamment leur très bonne sélectivité pour la transformation de l'éthanol en n-butanol, sont encore mal rationnalisées. La modulation de leur paramètres de synthèse ainsi leur aptitude à la substitution nous ont permis de jouer sur leur versatilité en termes de composition, stœchiométrie et morphologie en vue d'établir des relations structure-propriétés acido-basiques. De fait, au niveau macroscopique, la stœchiométrie -exprimée par le rapport Ca/P de cœur- et la morphologie de ces matériaux sont les deux facteurs déterminant pour le contrôle de la basicité des HAp. S'il reste à expliciter la différence de composition entre le cœur et la surface, dans tous les cas, qu'il s'agisse de sous stœchiométrie ou d'un mélange avec d'autres phases phosphates de calcium, dépourvues d'OH, la diminution de la teneur en hydroxyles va de pair avec une diminution de la réactivité basique. Cela oriente vers un rôle central de ces espèces au niveau moléculaire. Pour identifier la nature des sites superficiels impliqués en catalyse, une méthodologie visant à discriminer les signatures spectroscopiques IR et RMN des espèces OH et POH de cœur et de surface a été développée, notamment via des marquages isotopiques. L'implication de ces espèces superficielles a ensuite été suivie par adsorption de molécule sonde acides, CO2, acétylène, propyne (interaction paire acide base) et basiques, CO, pyridine. Si le CO2 conduit à une carbonatation de surface mais en aussi du cœur du matériau, les contributions OH et PO-H de surface interagissent avec les molécules protiques. Par contre, les cations ne sont pas systématiquement accessibles aux sondes et les PO4 de la HAp ne présentent pas d'interaction avec des molécules protique. Ces résultats nous conduisent à proposer l'implication d'une paire OH/PO-H atypique qui, en combinaison avec une importante mobilité des protons de ces matériaux, pourrait justifier en partie l'aptitude inhabituelle des HAp à former sélectivement du n-butanol dans la réaction de Guerbet.