Dynamique des nageurs interfaciaux

Abstract

The self-propelled objects are systems using the energy from their environment or carrying their fuel, to transport themselves. They are ubiquitous since our environment is full of mechanical machines or even living beings. Medical issues such as the controlled delivery of medicine, or issues related to the active matter, such as the spontaneous organisation of different scales objects, have led to intense research activity to elaborate new strategies allowing the self-propelling for various sizes systems. Among these strategies, this thesis focuses on a specific class, the interfacial swimmers. The term “swimmer" refers here to the fluid environment in which the moving being operates, more accurately, to the interface between two fluids as underlined by the term “interfacial". This interface is characterised by surface energy, the surface tension, which can be considered as a linear force. To propel themself, the interfacial swimmer induces a surface tension gradient by releasing a chemical specie, a surfactant, or some heat. The classic case is a swimmer propelling at the water-air interface by discharging a surfactant. Even though this type of propulsion was described in 1686, the same century as the vapour machine, the understanding is still low, quantitatively but also qualitatively. Thus, the behaviour prediction as a function of the object characteristic - for instance, the shape - remain partial. Will we obtain a motion? Will it be a translation or a rotation? In which direction? This thesis tries to address those questions by considering the dynamics of a symmetrical object: a disk. To do so, we have developed a complete approach: experimental, theoretical and even numerical, through the elaboration of toy models and simulations implementationLes objets autopropulsés, capables de se mouvoir en exploitant une source d'énergie embarquée ou présente dans leur milieu, sont courants dans notre environnement de par les machines mécaniques ou même les êtres vivants qui le peuplent. Pourtant, des problématiques médicales telle que la délivrance contrôlée de médicaments, ou liées à la matière active, telle que la structuration ou l'organisation spontanée d'objets à différentes échelles, ont amené une intense activité sur l'élaboration de nouvelles stratégies permettant l'auto-propulsion d'objets de taille variées. Parmi ces stratégies, cette thèse s'intéresse à une classe spécifique que sont les nageurs interfaciaux. Le terme “nageur” renvoie ici au milieu fluide dans lequel évolue le mobile, et plus exactement à l'interface entre deux fluides comme souligné par le terme “interfacial”. Cette interface est caractérisée par une énergie surfacique, la tension de surface, qui peut aussi être considérée comme une force linéaire. Pour se propulser les nageurs interfaciaux génèrent un gradient de tension de surface par libération d'une espèce chimique, le tensioactif, ou de chaleur. Le cas classique étant un nageur se propulsant à l'interface eau-air en relarguant un tensioactif. Paradoxalement, bien que cette forme de propulsion ait été identifiée en 1686, au même siècle que la machine à vapeur, ses caractéristiques n'en restent pas moins partiellement comprises quantitativement mais aussi qualitativement. Ainsi la simple prédiction du comportement d'un objet en fonction de ses caractéristiques - de forme par exemple - reste très partielle. Obtiendra-t-on un mouvement ? Sera-t-il essentiellement translationnel ou rotationnel ? Dans quelle direction ?Ce sont ces questions simples que cette thèse a tenté d'aborder en considérant la dynamique d'un objet parfaitement symétrique : un disque. Pour ce faire, nous avons développé une approche complète du problème en combinant des considérations aussi bien expérimentales que théoriques et même numériques via l'élaboration de modèles-jouets et l'implémentation de simulation