Colloïdes paramagnétiques sous champ : un système modèle de la matière activée

Les assemblages de particules colloïdales ont fait l’objet d’un intérêt croissant ces dernières années, non seulement pour leurs diverses applications technologiques, mais également parce qu’ils reproduisent des phénomènes décrits par la physique de la matière condensée à une échelle expérimentale accessible (longueur de l’ordre du micron, temps de l’ordre de la seconde). De plus la possibilité de varier les interactions inter-particules permet de contrôler et de tester des comportements collectifs analogues à ceux rencontrés à l’échelle atomique. Lorsque les particules colloïdales possèdent des propriétés paramagnétiques, il est possible de contrôler leurs interactions à l’aide d’un champ magnétique extérieur : on peut alors caractériser par microscopie optique la structure obtenue et les phénomènes dynamiques en fonction du champ appliqué, qui peut être un champ statique [Messina 2015, Spiteri 2018, Bécu 2017] ou dynamique [Elismaili 2021a,b].

Dans ce projet, nous proposons de développer un système modèle de la matière activée à base de colloïdes paramagnétiques. Tandis que la matière active est tenue hors équilibre par une source d’énergie interne aux composantes du système, la matière activée est tenue hors équilibre par une source d’énergie externe. Cette source d’énergie confère une agitation des particules bien plus importante que l’agitation thermique, ce qui donne lieu à des propriétés physiques nouvelles. Un exemple de matière activée est celui des systèmes granulaires vibrés [D'Anna 2003], où des grains posés sur une table vibratoire effectuent des sauts aléatoires en raison du frottement variable avec le substrat, ce qui permet de définir une température effective de ce système activé [Zamponi 2005]. Dans notre cas l’agitation aléatoire des colloïdes est générée par le champ magnétique dynamique. Le système proposé est constitué d’une monocouche de courts bâtonnets de billes colloïdales (dimères ou trimères) confinés par la gravité sur un substrat. L’assemblage de billes magnétiques en bâtonnets est maîtrisé au laboratoire, et leur comportement dynamique sous un champ tournant attractif, localisé dans le plan de la monocouche, a fait l’objet d’une étude récente [Hamid 2024].

Lorsque qu’un champ magnétique orthogonal au plan de la monocouche est appliqué, les bâtonnets développent un moment dipolaire colinéaire au champ qui tend à les orienter le long des lignes de champ. Une mesure théorique portant sur un dimère de billes magnétiques non liées a montré qu’à mesure que l’intensité du champ magnétique externe augmente, 3 états distincts peuvent être obtenus : un état horizontal (dimères allongés sur le substrat), un état intermédiaire incliné et un état vertical (dimères redressés perpendiculairement au substrat) [Kemgang 2020]. Les interactions dipolaires sont alors essentiellement répulsives, et peuvent être modulées par l’angle d’orientation entre l’axe du bâtonnet et le moment dipolaire. La première partie de la thèse portera sur une investigation des structures statiques de monocouches de bâtonnets soumises à un champ orthogonal statique ou dynamique.

Dans une seconde partie du projet, on s’intéressera aux systèmes binaires constitués d’éléments aux interactions hétérogènes. Expérimentalement, un tel système peut être réalisé à partir d’un mélange de billes simples et de bâtonnets placés dans les mêmes conditions de champ répulsif statique. Les propriétés structurales du système seront étudiées, et ces résultats seront confrontés à des simulations numériques de dynamique moléculaire réalisées avec le code LAMMPS. En se basant sur une compétence locale acquise depuis quelques années, les simulations numériques permettront également d’accéder aux propriétés mécaniques de ces systèmes binaires [Li 2020, Elismaili 2022].

Afin de caractériser expérimentalement les propriétés mécaniques de la suspension colloïdale, nous utiliserons les déformations induites par des écoulements en canal de microfluidique [Galambos 1998, Pipe 2009]. Ces canaux seront fabriqués par un procédé existant dans notre laboratoire avec la collaboration de M. Jean-Pierre Gobeau, assistant ingénieur. La microfluidique est un moyen adapté pour caractériser les propriétés mécaniques de la suspension colloïdale pour deux raisons : d’une part, elle permet de visualiser les colloïdes sous microscope optique pour suivre leur déplacement ; d’autre part, la puce microfluidique peut être insérée dans le montage de champ magnétique afin de pouvoir appliquer le champ extérieur pendant l’expérience.

Références :

[Spiteri 2018] L. Spiteri, R. Messina, D. Gonzalez-Rodriguez et L. Bécu, Ordering of sedimenting paramagnetic colloids in a monolayer, Phys. Rev. E. 98, 02061(R) (2018).

[Messina 2015] R. Messina, S. Al Jawhari, L. Bécu, J. Schockmel, G. Lumay et N. Vandewalle, Quantitatively mimicking wet colloidal suspensions with dry granular media, Sci. Rep. 5, 10348 (2015).

[Bécu 2017] L. Bécu, M. Basler, M. L. Kulic et I. M. Kulic, Resonant reshaping of colloidal clusters on a current carrying wire, Eur. Phys. J. E 40, 107 (2017).

[Elismaili 2021a] M. Elismaili, L. Bécu, H. Xu et D. Gonzalez-Rodriguez, Dissipative non-equilibrium dynamics of self-assembled paramagnetic colloidal clusters, Soft Matter 17, 3234 (2021).

[Elismaili 2021b] M. Elismaili, L. Bécu, H. Xu et D. Gonzalez-Rodriguez, Rotation dynamics and internal structure of self-assembled binary paramagnetic colloidal clusters, J. Chem. Phys. 155, 154902 (2021).

[D'Anna 2003] G. D’Anna, P. Mayor, A. Barrat, V. Loreto et F. Nori, Observing brownian motion in vibration-fluidized granular matter, Nature 424, 909 (2003).

[Zamponi 2005] F. Zamponi, F. Bonetto, L. F. Cugliandolo et J. Kurchan, A fluctuation theorem for non-equilibrium relaxational systems driven by external forces, J. Stat. Mech.: Theory Exp., 2005, P09013 (2005).

[Hamid 2024] A. H. Hamid, D. Gonzalez-Rodriguez, H. Xu et L. Bécu, Dynamics of paramagnetic permanent chains and self-assembled clusters under a rapidly rotating magnetic field, J. Chem. Phys. 161, 164905 (2024).

[Kemgang 2020] E. Kemgang, H. Mohrbach et R. Messina, Magnetic dimer at a surface: Influence of gravity and external magnetic fields, Eur. Phys. J. E 43, 46 (2020).

[Elismaili 2022] M. Elismaili, D. Gonzalez-Rodriguez et H. Xu, Activity-modulated phase transition in a two dimensional mixture of active and passive colloids, Eur. Phys. J. E 45, 86 (2022).

[Galambos 1998] P. Galambos et F. Foster, An optical micro-fluidic viscometer, ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Vol. 15960, pp. 187-191. American Society of Mechanical Engineers, 1998.

[Pipe 2009] C. Pipe et G. H. McKinley, Microfluidic rheometry, Mechanics Research Communications, Vol. 36, pp.110-120, 2009.

Le laboratoire LCP-A2MC est composé de chimistes et de physiciens, expérimentateurs et théoriciens. Nous travaillons ensemble pour mener des expériences, élaborer des modèles théoriques, établir des nouvelles méthodologies d’analyses et comprendre les milieux complexes à différentes échelles.

Nous étudions les milieux complexes à différentes échelles mésoscopique, nanoscopique, moléculaire et de leurs interfaces. Ces études ont des applications dans de nombreux domaines tels que l’énergie, l’environnement, la catalyse, la photocatalyse, la biodétection, la dépollution…

Étudiant(e) en Master 2 de Physique, Science des Matériaux, Physico-chimie ou équivalent, avec un fort intérêt pour le travail expérimental. Solide formation théorique et pratique, compétences en conception et réalisation d’expériences, et maîtrise des outils de mesure. Curieux(se), rigoureux(se) et autonome, le/la candidat(e) sait analyser des résultats et possède de bonnes capacités rédactionnelles.