Guidage des particules artificielles auto-propulsées – GASPP

Les matériaux actifs consistent en une collection d'objets qui s'auto-propulsent en absorbant de l'énergie d'un réservoir interne ou de leur environnement. Des exemples de ces derniers incluent les bactéries nageant, tandis que des microswimmers artificiels peuvent être réalisés par des colloïdes de Janus actifs. Ces dernières années, les matériaux actifs sont devenus une direction de recherche d'actualité dans le domaine de la matière molle en raison de la possibilité de réaliser des applications auto-contrôlées. Dans ces matériaux, les blocs de construction peuvent effectuer des tâches de manière autonome, sans intervention extérieure. Celles-ci incluent, par exemple, des matériaux colloïdaux actifs destinés à des applications de laboratoire sur puce et de distribution de médicaments dans des applications robotiques à l'échelle microscopique et robotiques à l'échelle macroscopique.

Un grand défi dans la recherche sur la matière active est de savoir comment guider et contrôler les blocs de construction automoteurs. Comprendre comment faire cela offre de nouvelles possibilités pour concevoir des matériaux artificiels dotés de qualités de vie pour des applications robotiques (sec; macroscopique) et colloïdales (hydrodynamique; microscopique).

Une possibilité consiste à utiliser des surfaces de confinement. Il a été démontré que les colloïdes sphériques autopropulsés et les tiges granulaires actives s’accumulaient à la surface. Et diverses constructions géométriques peuvent être utilisées pour les guider. En outre, le confinement peut devenir mobile en raison de l’agrégation des objets auto-mobiles. Cela peut donner lieu à de nouvelles applications en robotique, où les collections d'un simple bloc de construction non communicant sont utilisées pour créer un mouvement collectif cohérent. Cependant, ces approches sont intrinsèquement bidimensionnelles.

Pour réaliser un guidage dans la masse tridimensionnelle, les propriétés du milieu de nage peuvent être utilisées. Récemment, il a été démontré que les microswimmers peuvent être guidés en utilisant la symétrie brisée d’orientation des cristaux liquides nématiques. En règle générale, les bactéries en forme de bâtonnet s'alignent le long du directeur nématique et peuvent être guidées dans des chemins complexes en contrôlant la direction de l'ordre nématique.

Ce projet concerne le guidage de particules artificielles autopropulsées. Cela consiste en deux branches distinctes: des microswimmers sphériques de guidage tridimensionnels utilisant la topologie d'un fluide (l'ordre des cristaux liquides) pour les applications à l’échelle microscopique et les particules actives granulaires (barres autopropulsées) dans des confinements souples pour les applications robotiques bidimensionnelles.

Dans la première partie, nous construirons un model hydrodynamique complet de microswimmers sphériques (colloïdaux) dans des cristaux liquides. En addition de la phase nématique classique, nous considérerons à la fois les phases nématique chirale et la phase bleue . Nous allons interfacer des simulations de pointe (réseau de Boltzmann) avec des calculs analytiques. Nous étudierons à la fois l'alignement hydrodynamique des particules ainsi que le piégeage et la nage le long des lignes de défauts. Dans la deuxième partie, nous examinerons les tiges granulaires sèches dans un confinenement souple, ce qui le rendra mobile par l’accumulation des tiges actives dans les régions à forte courbure.