Nage de suspensions actives en milieu complexe

On appelle matiere active les systemes constitues d'objets autopropulses. Cela regroupe des systemes aussi divers que les nuees d'oiseaux, les bancs de poissons, le plancton motile ou encore, a l'echelle subcellulaire, les moteurs moleculaires. De maniere remarquable, on retrouve dans tous ces systemes l'emergence spontanee d'effets collectifs a grande echelle par rapport a la taille des objets « actifs » qui les composent. Les fluides actifs motivent de nombreuses communautes de scientifiques (Physique, Mecanique, Biologie et Mathematiques) afin de developper une comprehension a visee universelle pour decrire ce nouvel etat de la matiere. Ce travail de these fournira une comprehension de l'interaction entre le mouvement de la matiere active et un milieu desordonne fait de micro-piliers pouvant fortement perturber l'hydrodynamique des micro-nageurs. Le systeme modele de particules actives (le micro-nageur Chlamydomonas Reinhardtii, une micro-algue motile) sera etudie dans un contexte pluridisciplinaire de fort couplage entre experiences, theorie et simulations numeriques. Les micro-algues etudiees sont phototactiques, c'est a dire qu'elles se deplacent vers une source lumineuse. L'etude du phototactisme en milieu complexe sera egalement abordee. A la difference des etudes standards sur les milieux dilues, le role de l'hydrodynamique est placee ici au cœur de la modelisation de la suspension active. En effet, une particule active en milieu liquide cree un ecoulement hydrodynamique a longue portee autour d'elle. Ainsi, en partant d'un essaim concentre de micro-algues, la dispersion de l'essaim est profondement affectee par ces interactions qui creent une dynamique de dilution de l'essaim non triviale. Par ailleurs, la presence de micro-piliers agit comme un reseau complexe d'obstacles et de pieges hydrodynamiques qui perturbent la dynamique de dispersion. En presence de lumiere, le deplacement de l'essaim phototactique vers la source lumineuse, sera egalement profondement affecte par la presence des piliers. Ainsi, si ce travail porte sur une etude fondamentale de la dispersion de matiere active en milieu complexe, il peut avoir des consequences importantes sur la perturbation hydrodynamique d'un milieu planctonique par des micro-particules (ici les piliers). En effet, si la pollution des oceans par les microparticules de plastique est un sujet en plein essor a l'heure actuelle, l'influence sur l'ecosysteme planctonique n'est pas encore comprise. Cette etude pourrait donc a la fois apporter des reponses fondamentales sur la physique statistique hors equilibre des systemes actifs mais aussi sur les ecosystemes planctoniques. La these s'organisera en trois etapes : L'etude de la marche aleatoire de particules actives individuelles en presence d'obstacles micro-fabriques La dynamique de dispersion d'une suspension active en milieu desordonne (le reseau de piliers) La dynamique de dispersion d'une suspension d'algues phototactiques en presence de lumiere, effet du milieu desordonne. Cette these s'inscrit dans un contexte de fort couplage experiences/theorie. L'equipe d'accueil a developpe un savoir-faire reconnu dans le domaine des suspensions actives avec des contributions remarquees de la communaute [1,2,3,4]. De plus, ce projet s'inscrit dans le cadre de collaborations qui se sont averees fructueuses au sein du college doctoral franco-allemand « Fluides Vivants » avec les equipes de Sarrebruck (une publication commune publiee [5] et une en cours de redaction) et de Bayreuth (une publication commune publiee [6] et une en cours de redaction). [1] Effective viscosity of microswimmer suspensions, S. Rafai, L. Jibuti and P. Peyla (2010) Phys. Rev. Lett. 104(9), 098102. [2] Light control of the flow of phototactic microswimmer suspensions X. Garcia, S. Rafai, and P. Peyla (2013) Phys. Rev. Lett. 110, 138106. [3] Random walk of a swimmer in a low-Reynolds-number medium, M.Garcia, S.Berti, P. Peyla, and S.Rafai (2011) Phys. Rev. E, 83 (3), 035301 (Rapid Comm.). [4] Suspensions with a tunable effective viscosity: a numerical study, L. Jibuti, S. Rafai and P. Peyla (2012) J. Fluid Mech., 693 , 345-366. [5] Effective viscosity of non-gravitactic chlamydomonas reinhardtii microswimmer suspensions. M. Mussler, S. Rafai, P. Peyla and C. Wagner (2013) EPL, 101 54004. [6] Self-focusing and jet instability of a microswimmer suspension, L. Jibuti, L. Qi, C. Misbah, W. Zimmermann, S. Rafai and P. Peyla, Phys. Rev E 90, 063019