Active nematic films under confinement : harnessing topological defects, shaping active flows and designing autonomous microfluidic machines
Films nématiques actifs en confinement : contrôle des défauts topologiques et des flux actifs et conception de machines microfluidiques autonomes
Résumé
Les systèmes vivants se composent d’un grand nombre d’unités convertissant l’énergie chimique environnante en mouvement. Par conséquent, ces systèmes sont intrinsèquement hors d'équilibre.Dans cette thèse, nous étudions un matériau actif synthétique inventé par le groupe de Zvonimir Dogic, appelé "nématique actif", fait à partir de constituants du cytosquelette. L’unité active est un faisceau de microtubules, qui s’étire sous l’action des kinésines, moteurs moléculaires consommateurs d’adénosine triphosphate. Les faisceaux de microtubules s’auto-assemblent à l’interface d’une huile, où ils forment un film dense présentant un ordre nématique sur une distance bien plus grande que le faisceau de microtubules. A la différence des cristaux liquides à l’équilibre, l’ordre nématique est interrompu par la présence de défauts topologiques auto-propulsés, qui conduisent la dynamique vers un état de chaos spatio-temporel. Dans cette thèse, nous explorons l’émergence de structures spatio-temporelles ordonnées dans les systèmes nématiques actifs confinés latéralement. En nous appuyant à la fois sur des expériences et des simulations numériques, nous montrons que l’on peut utiliser les parois latérales pour contrôler les flux actifs. Dans la première partie, nous étudions expérimentalement les films nématiques actifs à proximité d’une paroi latérale. La paroi est exclusivement habitée par des défauts topologiques de charge négative qui présentent une forme et une dynamique insolite. Nous montrons que des parois aux contours géométriques sont capables d’influencer les lieux de nucléation des défauts et d’induire des écoulement dirigés. Dans la partie principale, nous confinons le nématique actif dans des canaux étroits et ouverts à leur deux extrémités. Nous constatons l’émergence d’un écoulement dans l’une des directions, sélectionnée par brisure de symétrie spontanée. Lorsque les fluctuations sont importantes, la direction de l’écoulement peut s’inverser. Nous montrons que l’amplitude et la stabilité du flux sont contrôlées par la géométrie du canal. Par exemple, des parois en dents de scie permettent d’obtenir soit un flux unidirectionnel dans une direction choisie, soit un flux de cisaillement. Les contours géométriques des parois induisent l’ordre spatial et orientationnel des défauts topologiques. Nous réalisons également des simulations numériques des équations nématodynamiques généralisées aux systèmes actifs, utilisant une version hybride de la méthode de Boltzmann sur réseau et nous reproduisons numériquement les caractéristiques principales du système expérimental.Enfin, nous fabriquons expérimentalement des réseaux de canaux remplis du fluide nématique actif, ce qui nous permet de tester un modèle théorique précédemment publié. Partant d'une configuration relativement simple de bifurcation, nous terminons par l’élaboration d’une porte logique ET/OU, démontrant le potentiel des cristaux liquides actifs et des fluides actifs en général pour alimenter des réseaux microfluidiques autonomes et reconfigurables.
Living systems rely on a large number of agents converting local chemical energy into motion. Therefore they are inherently out-of-equilibrium. In this thesis, we study a model synthetic active material created by the group of Zvonimir Dogic using cytoskeleton elements, which is typically referred to as « active nematic ». Here, the active unit is an extensile bundle of microtubules driven by kinesin clusters fueled by adenosine triphosphate. At an oil interface, the bundles self-assemble into a dense film that displays nematic order on a scale much larger than the microtubule or the bundle itself. However, unlike passive liquid crystals, here nematic order is disrupted by the presence of motile topological defects that drive the system dynamics into spatio-temporal chaos. In this thesis, we investigate the emergence of ordered spatio-temporal patterns in laterally confined active nematics using both experiments and numerical simulations, and we show that lateral boundaries can be used to control active flows. In the first part, we experimentally study semi-confined active nematics in the vicinity of a lateral boundary. We find that the lateral wall is exclusively populated by negative defects, which exhibit exotic structure and dynamics. We show that geometrical patterning of the lateral boundary can allow for control over defect nucleation and induce directional flows. In the main part, we confine the active nematic to individual, narrow, open channels, and observe the emergence of directional flows along one direction, selected by spontaneous symmetry breaking. When fluctuations are important, the system can reverse the flow direction. We show that the flow amplitude and its stability can be geometrically controlled. For instance, we are able to effectively enforce either shear or directed flow states by shaping the confining wall with a ratchet pattern. Geometrical patterning of the channel wall induces spatial and orientational ordering of the motile topological defects. We perform numerical simulations using nematodynamics equations and a hybrid Lattice Boltzmann method, capturing some main features of our experimental results. Finally, we experimentally build active nematic flow networks where we test a previously published theoretical model. We start with a simple configuration of three channels connected in a bifurcation, and we conclude with the realization of an AND/OR logical gate, demonstrating the potential of active nematics to power autonomous microfluidic networks.
Origine : Version validée par le jury (STAR)