Dynamic coupling between passive and active complex fluids in curved geometries
Couplage dynamique entre fluides passifs et actifs complexes dans des géométries courbes
Résumé
Many physiological processes such as cell division or migration rely on the ability of the cellular machinery to adapt to the mechanical cues of its surrounding environment such as hydrodynamic stresses and strains. To achieve this, an internal network of filamentous polymers and regulatory proteins, the cytoskeleton, rearranges to overcome the external perturbations, influencing in turn the properties of the extracellular matrix. In recent years, the urge for understanding simultaneously, how the internal active structures respond to the stimulus of external constraints and vice-versa has inspired the scientific community to develop new microenvironments to study these questions in a controllable manner. In this thesis, we have built an in vitro platform, inspired from previous works, by interfacing a biomimetic fluid made of cytoskeletal components with a liquid crystal (LC). When the active material condenses to a water–LC interface it develops a dynamical state, usually referred to as active nematic, in which long range orientational order coexists with persistent chaotic flows. The goal of this research is to investigate the dynamic coupling between active nematics and passive liquid crystals by incorporating two new variables to the problem: geometrical confinement and curvature. The interplay between the active/passive coupling and the former parameters is first evidenced on ellipsoidal smectic droplets coated with a thin active nematic layer. The inherent anisotropy of the ellipsoid brings under the spotlight unforeseen dynamical behaviors, including periodical oscillations between a rotational and a translational regime, where the system dynamics is controlled by the motion of two pairs of topologically required defects. We have also investigated a reverse configuration, in which spherical active droplets are embedded inside a liquid crystalline phase, producing, each of them, an associated topological defect in the liquid crystal. In this configuration, the crosstalk between the active and passive fluids results in the beating of the external passive defect, induced by the motion of the active defects on the droplet surface. The symmetry breaking and dynamics associated to the external defect further result in the directed self locomotion of the droplet. Finally, the coupling is probed at a larger organizational level by analyzing the dynamics of topologically linked active nematic emulsions, showing the apparition of partial phase-synchronization under certain conditions. These results provide new insights for the understanding of biological processes and perspectives for the design of bio-inspired micro-machines.
De nombreux processus physiologiques, tels que la division ou la migration cellulaire, reposent sur la capacité de la machinerie cellulaire à s'adapter aux signaux mécaniques de son environnement, tels que les contraintes hydrodynamiques. Un réseau interne de polymères filamenteux et de protéines régulatrices, le cytosquelette, se réorganise pour surmonter les perturbations externes, influençant à son tour les propriétés du milieu extracellulaire. Le besoin de comprendre simultanément comment les structures actives internes répondent aux contraintes externes et vice-versa a encouragé la communauté scientifique à développer de nouveaux micro-environnements pour étudier ces questions de manière contrôlable. Dans cette thèse, nous avons construit une plateforme in vitro, inspirée de travaux antérieurs, en interfaçant un fluide biomimétique constitué de composants du cytosquelette cellulaire avec un cristal liquide (CL). Lorsque le matériau actif se condense à l'interface eau-CL, il développe un état dynamique, généralement appelé nématique actif, dans lequel l'ordre d'orientation à longue portée coexiste avec des flux chaotiques persistants. L'objectif de cette recherche est d'étudier le couplage dynamique entre les nématiques actifs et les cristaux liquides passifs en ajoutant deux nouvelles variables au problème : le confinement géométrique et la courbure. L'interaction entre le couplage actif/passif et les paramètres géométriques sont d'abord mis en évidence sur des gouttelettes smectiques ellipsoïdales recouvertes d'une fine couche nématique active. L'anisotropie inhérente de l'ellipsoïde met en évidence des comportements dynamiques sans précédents, notamment des oscillations périodiques entre un régime de rotation et un régime de translation, où la dynamique du système est contrôlée par le mouvement de deux paires de défauts topologiquement requis. Nous avons également étudié une configuration inverse, dans laquelle des gouttes actives sphériques sont incorporées dans une phase cristal liquide, produisant autour d’elles, un défaut topologique associé. Dans cette configuration, le couplage entre les fluides actif et passif entraîne le battement du défaut externe, induit par le mouvement des défauts actifs à la surface de la goutte. La brisure de symétrie et les dynamiques associées au défaut externe entraînent en outre l'auto locomotion dirigée de la goutte. Enfin, le couplage est étudié à un niveau organisationnel plus large en analysant la dynamique d'émulsions nématiques actives topologiquement liées, montrant l'apparition d'une synchronisation partielle de phase dans certaines conditions. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives pour la compréhension des processus biologiques et pour la conception de micro-machines bio-inspirées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)