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L’École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris) est la première école d’ingénieurs française au classement de Shanghai.
Distinguée par 6 prix Nobel, elle allie recherche d’excellence (1 publication par jour), innovation (1 brevet par semaine, 3 start-ups par an) et formation interdisciplinaire par la recherche.
Elle accueille 400 élèves ingénieurs, 600 chercheurs dans 9 unités mixtes de recherche et environ 100 agents de support de la recherche et de l’enseignement
Rattachement du poste :
La thèse se déroulera au Laboratoire Gulliver de l’ESPCI Paris sous la direction de Mathilde Reyssat, maître de conférences à l’ESPCI.
Sujet :
Nage de gouttes auto-propulsées : contrôle et interactions
Contexte
Les fluides actifs et en particulier les interfaces actives constituent un domaine majeur de la recherche actuelle en matière molle. Nous avons développé dans notre laboratoire un système physico-chimique modèle constitué de gouttelettes d’eau pure qui se mettent spontanément en mouvement lorsqu’elles sont placées dans une phase d’huile contenant des micelles de surfactant. L’activité de ces gouttelettes nageuses provient de la formation de micelles gonflées par des molécules d’eau, à l’interface entre les gouttes et leur phase externe, ce qui induit des contraintes de Marangoni en surface et provoque le mouvement spontané des gouttelettes. Le mécanisme de nage ainsi que le mouvement de ces gouttes proches d’une paroi ou fortement confinées dans un capillaire ont été étudiés en détail au cours des dernières années [1-6].
Objectifs de la thèse
Nous souhaitons au cours de cette thèse utiliser ce système physico-chimique original pour sonder l’activité interfaciale des gouttes, la piloter sous l’action de champs extérieurs et enfin mieux comprendre l’interaction entre gouttes qui reste incomprise à ce jour.
Pour cela, nous utiliserons des techniques de microfabrication pour contrôler précisément les champs hydrodynamiques dans lesquels évoluent les gouttes ainsi que le champ de concentration de surfactant qui les entoure.
Un premier axe de travail consistera donc à étudier l’auto-propulsion de gouttes nageuses soumises soit à un contre-écoulement ou soit une modification de la géométrie du canal dans lequel circule les gouttes. Des techniques d’imagerie de flux par PIV seront utilisées, couplées à de la microscopie confocale, pour quantifier correctement les champs de vitesse autour des gouttes.
Un deuxième axe de recherche consistera à étudier les mécanismes qui permettent de piloter de manière chimique le déplacement de ces gouttes actives dans une direction donnée.
Pour cela, nous étudierons la nage de gouttes dans une chambre microfluidique présentant des gradients de micelles gonflées. L’analyse des trajectoires des gouttes en fonction des différents paramètres expérimentaux permettra de quantifier l’effet d’un champ extérieur en concentration sur la réorganisation des contraintes interfaciales et donc sur le pilotage externe de la direction de nage des gouttes.
Après avoir étudié l’influence d’un flux extérieur puis d’un gradient de concentration en micelles sur la nage d’une goutte, nous nous tournerons naturellement vers l’étude de l’interaction entre gouttes nageuses, chacune d’entre elles modifiant à la fois le flux hydrodynamique ainsi que le champ de concentration de micelles autour d’elle. Des études numériques récentes [7-8] ont quantifié cet effet doublement non linéaire mais il n’y a pas à ce jour d’expériences modèles qui permettent de confronter théorie et expériences. Notre système physico-chimique ainsi que la versatilité de la microfluidique constituent un outil idéal pour étudier ce problème non élucidé à ce jour.
Au cours de ce travail de thèse, nous nous attèlerons à comprendre comment une activité interfaciale peut être influencée et pilotée par une modification des conditions extérieures de flux et de gradient chimique. Ce travail à dominante expérimentale sera accompagné d’analyses théoriques menées au sein du laboratoire Gulliver, et plus largement avec nos collaborateurs extérieurs. Nos résultats expérimentaux, obtenus dans un système modèle et un environnement contrôlé, ont l’ambition de servir de références pour contraindre les théories à venir sur les interfaces fluides actives.
Bibliographie
[1] Z. Izri et al., Self-Propulsion of Pure Water Droplets by Spontaneous Marangoni-Stress-Driven Motion, PRL 113, 248302 (2014).
[2] C. Jin et al., Chemotaxis and autochemotaxis of self-propelling droplet swimmers, PNAS, 114 : 5089–5094 (2017).
[3] C. Jin et al. Chemotactic droplet swimmers in complex geometries, J. Phys. : Condens. Matter, 30, 054003 (2018).
[4] C. de Blois et al. "Flow field around a confined active droplet", Phys. Rev. Fluids, 4, 054001 (2019).
[5] S. Michelin, Self-Propulsion of Chemically Active Droplets, Annu. Rev. Fluid Mech. 55:77–101 (2023).
[6] C. de Blois et al., Swimming droplets in 1D geometries : an active Bretherton problem, Soft Matter,17, 6646 (2021).
[7] K. Lippera et al. Collisions and rebounds of chemically active droplets, J. Fluid Mech. 886, A17 (2020).
[8] F. Picella & S. Michelin, Confined self-propulsion of an isotropic activecolloid, J. Fluid Mech., 933 (2022).
Profil :
Nous recherchons un candidat fortement motivé, avec de solides bases en Matière Molle. Une bonne connaissance de l’hydrodynamique et des phénomènes interfaciaux sera un réel atout pour la thèse. Une connaissance des techniques de microfluidique et d’analyse d’images sera nécessaire pour réaliser la thèse.
Formation requise : Master 2
Modalités de recrutement :
Recrutement selon les conditions statutaires, en CDD (temps plein) de droit public pour une durée de 3 ans à partir du 1er septembre 2023.
Contact : mathilde.reyssat@espci.fr
Lieu :
10, Rue Vauquelin 75005 Paris
Métro ligne 7 (Place Monge/Censier Daubenton) - RER B (Luxembourg) - Bus 21, 27 & 47 - 3 Vélib’ stations à proximité.