Criticality at finite strain rate in fluidized soft glassy materials

We study the emergence of critical dynamics in the steady shear rheology of fluidized soft glassy materials. Within a mesoscale elasto-plastic model accounting for a shear band instability, we show how an additional noise can induce a transition from phase separated to homogeneous flow, accompanied by critical-like fluctuations of the macroscopic shear rate. Both macroscopic quantities and fluctuations exhibit power law behaviors in the vicinity of this transition, consistent with previous experimental findings on vibrated granular media. Altogether, our results suggest a generic scenario for the emergence of criticality when shear weakening mechanisms compete with a fluidizing noise.Comment: 7 pages, 7 figure

Mechanical behavior of multi-cellular spheroids under osmotic compression

The internal and external mechanical environment plays an important role in tumorogenesis. As a proxy of an avascular early state tumor, we use multicellular spheroids, a composite material made of cells, extracellular matrix and permeating fluid. We characterize its effective rheology at the timescale of minutes to hours by compressing the aggregates with osmotic shocks and modeling the experimental results with an active poroelastic material that reproduces the stress and strain distributions in the aggregate. The model also predicts how the emergent bulk modulus of the aggregate as well as the hydraulic diffusion of the percolating interstitial fluid are modified by the preexisting active stress within the aggregate. We further show that the value of these two phenomenological parameters can be rationalized by considering that, in our experimental context, the cells are effectively impermeable and incompressible inclusions nested in a compressible and permeable matrix

Confinement-Induced Transition between Wavelike Collective Cell Migration Modes

International audienceThe structural and functional organization of biological tissues relies on the intricate interplay between chemical and mechanical signaling. Whereas the role of constant and transient mechanical perturbations is generally accepted, several studies recently highlighted the existence of longrange mechanical excitations (i.e., waves) at the supracellular level. Here, we confine epithelial cell mono-layers to quasi-one dimensional geometries, to force the establishment of tissue-level waves of well-defined wavelength and period. Numerical simulations based on a self-propelled Voronoi model reproduce the observed waves and exhibit a phase transition between a global and a multi-nodal wave, controlled by the confinement size. We conrm experimentally the existence of such a phasetransition, and show that wavelength and period are independent of the confinement length. Together, these results demonstrate the intrinsic origin of tissue oscillations, which could provide cells with a mechanism to accurately measure distances at the supracellular level

Flow and dynamics of driven and active amorphous materials : a multi-scale modeling approach

Les matériaux amorphes loin de leur transition vitreuses (basse température ou haute densité) relaxent sur des échelles de temps inaccessibles expérimentalement et, en l'absence de forçage, ont essentiellement un comportement de solide élastique.Dans cette thèse, nous étudions la dynamique, la rhéologie et l'organisation à grande échelle de différents systèmes vitreux ``mous'' soumis à un forçage soit externe (cisaillement ou vibration) soit résultant d'une activité (biologique) locale. La principale question scientifique à l'origine de ce travail peut être formulée ainsi : “Comment des sources distinctes de bruit mécanique peuvent-elles affecter la fluidisation et l'organisation à grande échelle de matériaux amorphes et comment peut-on décrire ces effets à l'échelle mésoscopique ?”Nous abordons cette question en employant une approche de modélisation multi-échelle, allant de simulations de particules à des modèles continus en se concentrant particulièrement sur les modèles élasto-plastiques à l'échelle mésoscopique.Le premier thème abordé dans cette thèse concerne l'écoulement hétérogène sous forme de bandes de cisaillements de matériaux amorphes.Nous considérons tout d'abord le cas d'un mécanisme d'auto-fluidisation induit par une dynamique inertielle et proposons un modèle continu basé sur une description de l'inertie en terme de température cinétique. Nous montrons que ce modèle décrit l'émergence de bandes de cisaillement telles qu'observées dans des simulations de particules.Dans une deuxième partie, nous étudions comment une source de bruit externe à l'origine de l'activation d'évènements plastiques (sous la forme de vibrations par exemple) affecte un tel écoulement hétérogène. Nous montrons, à l'aide d'un modèle élasto-plastique sur réseau, qu'augmenter le bruit externe conduit à une disparition des bandes de cisaillement et que cette transition entre un écoulement hétérogène et un écoulement homogène peut s'interpréter comme un point critique hors équilibre. Nos résultats suggèrent par ailleurs que les exposant critiques sont indépendants du détail de la dynamique d'activation du bruit et compatibles avec des expériences récentes sur des granulaires cisaillés et vibrés.La fluidisation de fluides à seuil par des sources de bruit indépendantes de l'écoulement peut être observée dans divers contextes, comme par exemple dans des systèmes actifs ou biologiques.Dans une troisième partie, nous étudions comment une source de bruit active résultant de la déformation active de particules peut induire la fluidisation d'un matériau amorphe.En se basant sur un modèle microscopique de particules dont le rayon oscille (activement) au cours du temps, nous construisons un modèle élasto-plastique tensoriel actif. Nous montrons que ce modèle présente une transition de fluidisation discontinue, telle qu'observée dans les simulations microscopiques, analogue à la transition vers l'écoulement rapportée dans les travaux de cisaillement oscillatoire des systèmes amorphes inertes.Dans une dernière partie, nous présentons un travail réalisé en collaboration avec des expérimentateurs du LIPhy sur l'émergence dedynamique oscillatoire dans la migration collective de cellules dans un tissu épithélial confiné.A l'aide d'un modèle de type vertex, nous montrons qu'un mécanisme de rétroaction entre la direction de l'auto-propulsion des cellules et de leur vitesse est nécessaire pour observer des oscillations, et que le type d'oscillations observé dépend de la longueur du confinement, tel qu'observé dans les expériences.Soft glassy materials far from their glass transition (low temperature, high density) exhibit divergent relaxation timescales and behave essentially as solids in absence of driving or biological activity.In this thesis, we investigate the dynamics, rheology and large scale organization of various types of (athermal) soft amorphous materials resulting either from an externally imposed driving (shear or vibration), from a local activity, or both.The main question behind the different projects constituting this thesis is: how do distinct sources of mechanical noise affect the fluidization and large scale organization of soft amorphous materials and how to account for it in coarse-grained descriptions?To this aim, we use a multi-scale modeling approach, from microscopic simulations to continuum modeling, with a main focus on mesoscale elasto-plastic models.The first topic of this thesis concerns shear localization in the flow of soft amorphous materials. We first consider the case of inertial dynamics at the microscopic scale as a rate-weakening mechanisms and show, using a continuum model, that permanent shear bands observed in particle-based simulations can be explained in terms of softening due to kinetic heating of the system under shear, with a shear rate dependent kinetic temperature.In a second part, we study how permanent shear bands are affected by an external (rate-independent) source of noise leading to the random activation of plastic rearrangements.We show, using a mesoscale elasto-plastic model with two different models of noise, that an increasing external noise leads to vanishing shear bands, and that the transition from heterogeneous to homogeneous flow can be interpreted as a nonequilibrium critical point. Our findings suggest that the critical exponents associated with this transition do not depend on the details of the activation dynamics for the noise, and are also consistent with recent experimental results on vibrated granular media.Fluidization by a rate-independent noise is an ubiquitous phenomenon, observed not only in vibrated granular media, but also in active or biological systems, where the noise if of active origin.In a third part, we study how active sources of noise resulting from the active deformation of particles can induce a fluidization of the system.Using inputs from microscopic simulations, we build a tensorial mesoscale elasto-plastic model for the dynamics of actively deforming particles.We show that this model reproduces the discontinuous fluidization transition observed in particle-based simulations and shares analogy with inert amorphous systems driven with an oscillatory shear protocol.In a last part, motivated by experiments in the lab, we consider a vertex-based model to study oscillations of the migration velocity of cells in confined epithelial tissues. We find that a feedback mechanism between the cell self-propulsion direction and velocity is required to observe oscillations, and that the type of oscillation observed depends upon the confinement length as reported in experiments

Écoulement et dynamique de matériaux amorphes forcés et actifs : une approche multi-échelle

Soft glassy materials far from their glass transition (low temperature, high density) exhibit divergent relaxation timescales and behave essentially as solids in absence of driving or biological activity.In this thesis, we investigate the dynamics, rheology and large scale organization of various types of (athermal) soft amorphous materials resulting either from an externally imposed driving (shear or vibration), from a local activity, or both.The main question behind the different projects constituting this thesis is: how do distinct sources of mechanical noise affect the fluidization and large scale organization of soft amorphous materials and how to account for it in coarse-grained descriptions?To this aim, we use a multi-scale modeling approach, from microscopic simulations to continuum modeling, with a main focus on mesoscale elasto-plastic models.The first topic of this thesis concerns shear localization in the flow of soft amorphous materials. We first consider the case of inertial dynamics at the microscopic scale as a rate-weakening mechanisms and show, using a continuum model, that permanent shear bands observed in particle-based simulations can be explained in terms of softening due to kinetic heating of the system under shear, with a shear rate dependent kinetic temperature.In a second part, we study how permanent shear bands are affected by an external (rate-independent) source of noise leading to the random activation of plastic rearrangements.We show, using a mesoscale elasto-plastic model with two different models of noise, that an increasing external noise leads to vanishing shear bands, and that the transition from heterogeneous to homogeneous flow can be interpreted as a nonequilibrium critical point. Our findings suggest that the critical exponents associated with this transition do not depend on the details of the activation dynamics for the noise, and are also consistent with recent experimental results on vibrated granular media.Fluidization by a rate-independent noise is an ubiquitous phenomenon, observed not only in vibrated granular media, but also in active or biological systems, where the noise if of active origin.In a third part, we study how active sources of noise resulting from the active deformation of particles can induce a fluidization of the system.Using inputs from microscopic simulations, we build a tensorial mesoscale elasto-plastic model for the dynamics of actively deforming particles.We show that this model reproduces the discontinuous fluidization transition observed in particle-based simulations and shares analogy with inert amorphous systems driven with an oscillatory shear protocol.In a last part, motivated by experiments in the lab, we consider a vertex-based model to study oscillations of the migration velocity of cells in confined epithelial tissues. We find that a feedback mechanism between the cell self-propulsion direction and velocity is required to observe oscillations, and that the type of oscillation observed depends upon the confinement length as reported in experiments.Les matériaux amorphes loin de leur transition vitreuses (basse température ou haute densité) relaxent sur des échelles de temps inaccessibles expérimentalement et, en l'absence de forçage, ont essentiellement un comportement de solide élastique.Dans cette thèse, nous étudions la dynamique, la rhéologie et l'organisation à grande échelle de différents systèmes vitreux ``mous'' soumis à un forçage soit externe (cisaillement ou vibration) soit résultant d'une activité (biologique) locale. La principale question scientifique à l'origine de ce travail peut être formulée ainsi : “Comment des sources distinctes de bruit mécanique peuvent-elles affecter la fluidisation et l'organisation à grande échelle de matériaux amorphes et comment peut-on décrire ces effets à l'échelle mésoscopique ?”Nous abordons cette question en employant une approche de modélisation multi-échelle, allant de simulations de particules à des modèles continus en se concentrant particulièrement sur les modèles élasto-plastiques à l'échelle mésoscopique.Le premier thème abordé dans cette thèse concerne l'écoulement hétérogène sous forme de bandes de cisaillements de matériaux amorphes.Nous considérons tout d'abord le cas d'un mécanisme d'auto-fluidisation induit par une dynamique inertielle et proposons un modèle continu basé sur une description de l'inertie en terme de température cinétique. Nous montrons que ce modèle décrit l'émergence de bandes de cisaillement telles qu'observées dans des simulations de particules.Dans une deuxième partie, nous étudions comment une source de bruit externe à l'origine de l'activation d'évènements plastiques (sous la forme de vibrations par exemple) affecte un tel écoulement hétérogène. Nous montrons, à l'aide d'un modèle élasto-plastique sur réseau, qu'augmenter le bruit externe conduit à une disparition des bandes de cisaillement et que cette transition entre un écoulement hétérogène et un écoulement homogène peut s'interpréter comme un point critique hors équilibre. Nos résultats suggèrent par ailleurs que les exposant critiques sont indépendants du détail de la dynamique d'activation du bruit et compatibles avec des expériences récentes sur des granulaires cisaillés et vibrés.La fluidisation de fluides à seuil par des sources de bruit indépendantes de l'écoulement peut être observée dans divers contextes, comme par exemple dans des systèmes actifs ou biologiques.Dans une troisième partie, nous étudions comment une source de bruit active résultant de la déformation active de particules peut induire la fluidisation d'un matériau amorphe.En se basant sur un modèle microscopique de particules dont le rayon oscille (activement) au cours du temps, nous construisons un modèle élasto-plastique tensoriel actif. Nous montrons que ce modèle présente une transition de fluidisation discontinue, telle qu'observée dans les simulations microscopiques, analogue à la transition vers l'écoulement rapportée dans les travaux de cisaillement oscillatoire des systèmes amorphes inertes.Dans une dernière partie, nous présentons un travail réalisé en collaboration avec des expérimentateurs du LIPhy sur l'émergence dedynamique oscillatoire dans la migration collective de cellules dans un tissu épithélial confiné.A l'aide d'un modèle de type vertex, nous montrons qu'un mécanisme de rétroaction entre la direction de l'auto-propulsion des cellules et de leur vitesse est nécessaire pour observer des oscillations, et que le type d'oscillations observé dépend de la longueur du confinement, tel qu'observé dans les expériences

Écoulement et dynamique de matériaux amorphes forcés et actifs : une approche multi-échelle

Soft glassy materials far from their glass transition (low temperature, high density) exhibit divergent relaxation timescales and behave essentially as solids in absence of driving or biological activity.In this thesis, we investigate the dynamics, rheology and large scale organization of various types of (athermal) soft amorphous materials resulting either from an externally imposed driving (shear or vibration), from a local activity, or both.The main question behind the different projects constituting this thesis is: how do distinct sources of mechanical noise affect the fluidization and large scale organization of soft amorphous materials and how to account for it in coarse-grained descriptions?To this aim, we use a multi-scale modeling approach, from microscopic simulations to continuum modeling, with a main focus on mesoscale elasto-plastic models.The first topic of this thesis concerns shear localization in the flow of soft amorphous materials. We first consider the case of inertial dynamics at the microscopic scale as a rate-weakening mechanisms and show, using a continuum model, that permanent shear bands observed in particle-based simulations can be explained in terms of softening due to kinetic heating of the system under shear, with a shear rate dependent kinetic temperature.In a second part, we study how permanent shear bands are affected by an external (rate-independent) source of noise leading to the random activation of plastic rearrangements.We show, using a mesoscale elasto-plastic model with two different models of noise, that an increasing external noise leads to vanishing shear bands, and that the transition from heterogeneous to homogeneous flow can be interpreted as a nonequilibrium critical point. Our findings suggest that the critical exponents associated with this transition do not depend on the details of the activation dynamics for the noise, and are also consistent with recent experimental results on vibrated granular media.Fluidization by a rate-independent noise is an ubiquitous phenomenon, observed not only in vibrated granular media, but also in active or biological systems, where the noise if of active origin.In a third part, we study how active sources of noise resulting from the active deformation of particles can induce a fluidization of the system.Using inputs from microscopic simulations, we build a tensorial mesoscale elasto-plastic model for the dynamics of actively deforming particles.We show that this model reproduces the discontinuous fluidization transition observed in particle-based simulations and shares analogy with inert amorphous systems driven with an oscillatory shear protocol.In a last part, motivated by experiments in the lab, we consider a vertex-based model to study oscillations of the migration velocity of cells in confined epithelial tissues. We find that a feedback mechanism between the cell self-propulsion direction and velocity is required to observe oscillations, and that the type of oscillation observed depends upon the confinement length as reported in experiments.Les matériaux amorphes loin de leur transition vitreuses (basse température ou haute densité) relaxent sur des échelles de temps inaccessibles expérimentalement et, en l'absence de forçage, ont essentiellement un comportement de solide élastique.Dans cette thèse, nous étudions la dynamique, la rhéologie et l'organisation à grande échelle de différents systèmes vitreux ``mous'' soumis à un forçage soit externe (cisaillement ou vibration) soit résultant d'une activité (biologique) locale. La principale question scientifique à l'origine de ce travail peut être formulée ainsi : “Comment des sources distinctes de bruit mécanique peuvent-elles affecter la fluidisation et l'organisation à grande échelle de matériaux amorphes et comment peut-on décrire ces effets à l'échelle mésoscopique ?”Nous abordons cette question en employant une approche de modélisation multi-échelle, allant de simulations de particules à des modèles continus en se concentrant particulièrement sur les modèles élasto-plastiques à l'échelle mésoscopique.Le premier thème abordé dans cette thèse concerne l'écoulement hétérogène sous forme de bandes de cisaillements de matériaux amorphes.Nous considérons tout d'abord le cas d'un mécanisme d'auto-fluidisation induit par une dynamique inertielle et proposons un modèle continu basé sur une description de l'inertie en terme de température cinétique. Nous montrons que ce modèle décrit l'émergence de bandes de cisaillement telles qu'observées dans des simulations de particules.Dans une deuxième partie, nous étudions comment une source de bruit externe à l'origine de l'activation d'évènements plastiques (sous la forme de vibrations par exemple) affecte un tel écoulement hétérogène. Nous montrons, à l'aide d'un modèle élasto-plastique sur réseau, qu'augmenter le bruit externe conduit à une disparition des bandes de cisaillement et que cette transition entre un écoulement hétérogène et un écoulement homogène peut s'interpréter comme un point critique hors équilibre. Nos résultats suggèrent par ailleurs que les exposant critiques sont indépendants du détail de la dynamique d'activation du bruit et compatibles avec des expériences récentes sur des granulaires cisaillés et vibrés.La fluidisation de fluides à seuil par des sources de bruit indépendantes de l'écoulement peut être observée dans divers contextes, comme par exemple dans des systèmes actifs ou biologiques.Dans une troisième partie, nous étudions comment une source de bruit active résultant de la déformation active de particules peut induire la fluidisation d'un matériau amorphe.En se basant sur un modèle microscopique de particules dont le rayon oscille (activement) au cours du temps, nous construisons un modèle élasto-plastique tensoriel actif. Nous montrons que ce modèle présente une transition de fluidisation discontinue, telle qu'observée dans les simulations microscopiques, analogue à la transition vers l'écoulement rapportée dans les travaux de cisaillement oscillatoire des systèmes amorphes inertes.Dans une dernière partie, nous présentons un travail réalisé en collaboration avec des expérimentateurs du LIPhy sur l'émergence dedynamique oscillatoire dans la migration collective de cellules dans un tissu épithélial confiné.A l'aide d'un modèle de type vertex, nous montrons qu'un mécanisme de rétroaction entre la direction de l'auto-propulsion des cellules et de leur vitesse est nécessaire pour observer des oscillations, et que le type d'oscillations observé dépend de la longueur du confinement, tel qu'observé dans les expériences

Giant fluctuations in the flow of fluidised soft glassy materials: an elasto-plastic modelling approach

International audienc

Un "nouveau" champ de collecte : les archives d'associations

A New Field for Collecting Policy : the Archives of Associations. The centenary of the law of 1901 relating to associations presented an opportunity to highlight the interest of the archives of associations ; a colloquium was, therefore, organised by the Association of French Archivists and a practical manual was published by the Directorate of Archives in France. For all that, do the archives of associations represent a new field for collecting policy ? Three archivists with many experiences have compared their points of view, from fidelity to the French tradition to collaboration with intermediary associations and the setting up of dedicated research centres. The innovation cornes especially from the necessary cooperation between all the partners (associations, researchers, public and private archivists).Le centenaire de la loi de 1901 relative aux associations a permis de mettre en avant l'intérêt des archives d'associations : un colloque a ainsi été organisé en 2001 par l'Association des archivistes français et un manuel pratique a été publié par la direction des Archives de France. Les archives d'associations constituent -elles pour autant un nouveau champ de collecte ? Trois archivistes aux expériences plurielles ont comparé leurs points de vue, de la fidélité à une tradition française, à la collaboration avec des associations-relais, et à la constitution de centres de recherche spécifiques. La nouveauté vient surtout de la nécessaire coopération entre tous les partenaires (associations, chercheurs, archivistes publics et privés).Lacousse Magali, Le Goff Armelle, Legois Jean-Philippe, Poinsotte Valérie. Un "nouveau" champ de collecte : les archives d'associations. In: La Gazette des archives, n°204, 2006-4. Les archives en France. pp. 189-210