Study of the diffusion, rheology and microrheology of complex mixtures of bacteria and particles under flow confined in thin channels. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2012

Study of the diffusion, rheology and microrheology of complex mixtures of bacteria and particles under flow confined in thin channels.

Diffusion, rhéologie et microrhéologie de suspension de fluides actifs bactériens confinées dans des dispositifs microfluidiques.

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Abstract

In my thesis, I studied three problems involving E. Coli bacterial suspensions. Firstly, I focused on the Brownian motion of passive tracers in this particular active suspension close to a surface. Buoyancy and non-buoyancy swimming solutions were tested, revealing a linear increase of the passive tracer diffusion with the "active flux", obtained by the active concentration of bacteria multiplied by the mean velocity. Boundary confinements were also explored in buoyancy conditions, showing a better momentum transfer of the active bacteria as the height of the confinement gets smaller. The use of artificial swimmers instead of bacteria also leads to similar results in the enhancement of the diffusion. Secondly, I considered the modification of the fluid viscosity caused by the presence of these self-propelling entities. It is known that for pusher swimmers as bacteria the viscosity can even be smaller than that of the suspending fluid viscosity. The lack of experimental result showing this effect in the bulk inspired us to build a Y shape micro-fluidic channel in order to study the rheology of wild type E-Coli suspension. Preliminary results show a non-Newtonian behavior of active solution with a decrease of the liquid viscosity at low volume fractions and low shear rates. Thirdly, I proposed to address the question of dispersion and transport of E.Coli suspensions flowing in a micro-channel with a constriction. Here, in a confined environment the interactions with the boundaries and the geometry of the channels play an essential role. Surprisingly, my results show that the flow in a channel can produce a re-concentration of bacteria after passing through the constriction and this can be controlled by the flow.
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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Dates and versions

pastel-00785349 , version 1 (06-02-2013)

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  • HAL Id : pastel-00785349 , version 1

Cite

Gaston L. Miño. Study of the diffusion, rheology and microrheology of complex mixtures of bacteria and particles under flow confined in thin channels.. Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00785349⟩
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