Swimming water droplet in complex environment, confinement, gravity and collective effects.
Goutte d'eau nageuse en environnement complexe, confinement, gravité et effets collectifs.
Résumé
One may simply be amazed in front of the diversity and complexity of life. Yet, and maybe even more bewildering, living systems all share common hallmarks: compartmentalization, growth and division, information processing, energy transduction and adaptability. In particular, the mobility plays a crucial role in the competitiveness between different species. Physics at microscales is different from the one we are used to at our macroscopic scale. This is why, micro-swimmers have developed specific strategies to induce motion. The understanding of such strategies is crucial at the fundamental level to apprehend the behavior of biological micro-swimmer, but also to achieve artificial locomotion in a surrounding fluid at the micron-scale, in order to perform a multitude of tasks in technical and medical applications (transport, mixing), which has become a central goal of nanoscience. In this context, biological and artificial micro-swimmers have been intensively studied, and we place our study in the framework of swimming in a realistic and complex environment, in the case where external factors (confinement, external force, other swimmers) may influence the swimming properties. In this work, using microfluidic, we create, put into complex situation and observe a model swimmer: a pure water swimming droplet in an outer oil-micelle solution. It was shown that the droplet motion emerges from the nonlinear coupling of hydrodynamics and advection-diffusion of micelles filled with water. We first study the effect of confinement on such geometries using confocal PIV in 3D. The presence of one wall breaks the natural axisymmetry of the flow field. We propose a simplified analytical formulation taking into account the presence of the wall and the effect of buoyancy. This model accounts for the far field hydrodynamic of the droplet close to a wall that differs from the no-wall case. We then look at more confined geometries using glass capillary microfluidic. The velocity of the droplet decreases with increasing confinement; but surprisingly; it saturates at a non-zero value for droplets bigger than the channel height: even very long droplets swim. In more complex geometries, such as stretched capillaries; the droplet elongates while swimming, and amazingly, may undergo successive spontaneous splitting events for high enough confinement. We show that this behavior comes from a saturation in the swollen micelles concentration along the droplet length. External force - such as gravity – also influence the droplet behavior. In 2D, by observing a swimming droplet on an inclined plane, we show that gravity orients the droplet, and that under strong gravity, the droplet’s velocity is more than the simple additivity of the gravity and activity. This is discussed in the light of a theoretical study of the instability mechanism under an external force. The droplet in 1D exhibit a similar behavior, but is also able to swim against gravity. Finally, we investigate their collective dynamics in a 1D micro-fluidic channel. We observe experimentally a rich phenomenology: neighboring droplets align and form large trains. Exanimating the interactions between two "colliding" droplets shows that alignment rises from the interplay between velocity fluctuations and the absence of Galilean invariance. Taking these observations as the basis for a minimalistic 1D model of active particles and combining analytical and numerical arguments, we show that the system exhibits a transition to collective motion. Altogether, the swimming droplet shares numerous similarities with living system: compartmentalization (a droplet), division (under confinement), energy transduction (by thermodynamic relaxation) and adaptability (through the swimming). Beyond the simple understanding of our peculiar system, these studies give insight on various phenomena at the interface of hydrodynamics, physico-chemical engineering and active matter.
La vie est d’une extraordinaire diversité. Peut-être plus merveilleux encore, les systèmes vivants partagent des caractéristiques communes : la compartimentalisation, la croissance et la division, le traitement d’informations, la transduction d’énergie et la capacité à s’adapter. La capacité à se mouvoir, en particulier, joue un rôle crucial dans la compétition entre espèces. La physique à l’échelle micrométrique étant différente de celle à notre échelle macroscopique, les micro-nageurs ont des stratégies spécifiques pour se déplacer. Comprendre ces stratégies est capital au niveau fondamental pour appréhender le comportement des micro-nageurs biologiques, mais aussi pour développer des applications techniques et médicales, où des nageurs artificiels permettent d’effectuer de nombreuses tâches (transport, mélange). Dans ce contexte, les micronageurs biologiques et artificiels ont été abondamment étudiés, et nous plaçons notre étude dans le cadre d’un environnement réaliste, et donc complexe, où la nage est influencée par des facteurs extérieurs (la géométrie, une force extérieure, d’autres nageurs). Tout au long de cette étude, nous utilisons la microfluidique pour créer, mettre en situation complexe et observer un nageur modèle : une goutte d’eau nageuse dans une solution d’huile et de micelles. Il a été montré que la nage de la goutte est due au couplage non linéaire entre l’hydrodynamique et l’advection-diffusion de micelles remplies d’eau. Nous étudions d’abord l’effet du confinement en utilisant une technique de micro-PIV en 3D. La présence d’un mur brise l’axisymétrie naturelle du problème. Nous proposons une formulation analytique simplifiée qui prend en compte la présence du mur et la densité de la goutte. Ce modèle décrit l’hydrodynamique longue distance en présence d’un mur, qui diffère de celle en l’absence de mur. Nous regardons ensuite des géométries plus confinées : des capillaires en verre. Nous observons que la vitesse des gouttes décroît quand le confinement augmente, mais sature à une valeur faible mais finie quand la goutte devient plus longue que la hauteur du capillaire. Dans des géométries plus complexes, telles que des capillaires étirés, nous observons un étonnant phénomène de divisions spontanées successives de la goutte pour les grands confinements. Nous montrons que ce cela vient d’une saturation en micelle gonflée le long de l’interface de la goutte. La présence d’une force extérieure a aussi une influence sur le comportement de la goutte. En 2D, nous observons pour une goutte sur un plan incliné que la gravité oriente la dynamique et que pour une forte gravité, la vitesse de la goutte est plus que la simple composition des vitesses due à la gravité et à l’activité. Nous confrontons ces résultats à une étude théorique du mécanisme d’instabilité en présence de gravité. En 1D, la goutte a un comportement similaire, mais nage aussi contre la gravité. Nous finissons en étudiant la dynamique collective des gouttes en canal 1D. Le système expérimental présente une phénoménologie riche : des gouttes voisines s’alignent et forment de larges trains. Nous observons que l’interaction entre deux gouttes qui se « collisionnent » est le résultat d’un effet combiné des fluctuations de vitesses et de l’absence d’invariance galiléenne. Nous construisons un modèle simple de particules actives, et à l’aide d’outils analytiques et numériques, nous montrons qu’il existe une transition vers une dynamique collective. En conclusion, la goutte nageuse partage de nombreuses similarités avec les systèmes vivants : la compartimentalisation (une goutte), la division (quand elle est confinée), la transduction d’énergie (par relaxation thermodynamique), et la capacité à s’adapter à son environnement (par la nage). Au-delà de la simple étude de notre système particulier, ces études donnent de nombreuses clés de compréhension sur des phénomènes à l’interface de l’hydrodynamique, de la physico-chimie et de la matière active.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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