Capture de particules passives avec des particules actives : une étude numérique

Abstract

Ce mémoire traite de l'application de la matière molle hors d'équilibre, particulièrement des particules actives, afin de trier et capturer des particules passives dans un espace visqueux à deux dimensions. Les particules actives, contrairement aux passives dont les mouvements sont uniquement régis par les fluctuations thermiques, peuvent s'autopropulser. Ce domaine de recherche est encourageant pour la purification d'eaux usées ou des applications médicales, pour lesquelles des nanoparticules artificielles sont des outils prometteurs.

Des simulations numériques ont été effectuées sur base de l'implémentation de la méthode des éléments discrets (DEM). Des mélanges de particules passives, représentant des déchets, et de particules actives, représentant des organismes vivants et modélisés comme particules actives browniennes (ABP), ont été étudiés. Ces mélanges ont été utilisés pour analyser le tri de ces populations avec des obstacles statiques, et la séparation de phases induite par motilité (MIPS) pour des concentrations faibles avec alignement biologique. Ces pistes étant peu concluantes, les particules actives ont été modifiées avec des dipôles perpendiculaires à leur propulsion et avec des propriétés répulsives, ce qui a permis la capture améliorée de particules passives, essentiellement grâce à l'application temporaire d'un champ alignant les dipôles.

Les interactions dipolaires et la répulsion sont des interactions prometteuses pour capturer des particules passives au sein de superstructures de particules actives, un phénomène qui permettrait d'extraire par différents moyens ces particules de l'environnement. Les résultats obtenus pourraient être améliorés en faisant des simulations à plus grande échelle.

This thesis investigates the application of non-equilibrium soft matter physics, specifically active particles, to sort and capture passive particles in a two-dimensional viscous environment. Active particles, in contrast to passive particles whose movements are only driven by thermal fluctuations, can self-propel. This field of research is encouraging for waste management and medical applications, in which nanoparticles with special characteristics are promising tools.

Numerical simulations were conducted based on the implementation of the Discrete Element Method (DEM). Mixtures of passive particles, representing waste, and active particles, representing living organisms and modeled as Active Brownian Particles (ABP), were studied. These mixtures were used to analyse the sorting of these populations with static obstacles, and the Motility-Induced Phased Separation (MIPS) at lower concentrations with biological alignment. As these leads were inconclusive, active particles were modified with dipoles perpendicular to their propulsion and repulsive properties, which allowed enhanced capture of passive particles, mainly thanks to external fields temporarily aligning the dipoles.

Dipole interactions and repulsion are found to be promising characteristics to trap passive particles inside superstructures of active particles, a phenomenon that would lead to different ways to extract these particles from the environment. Results could be further improved with large-scale simulations.