Comment guider un micro-nageur artificiel dans un fluide anisotrope
Des physiciens numériciens et théoriciens ont montré qu’une particule Janus active dans un cristal liquide se meut parallèle à l’ordre nématique si elle est propulsée par l’arrière, et perpendiculaire si le moteur est à l’avant. Ces orientations sont dues à un effet némato-hydrodynamique, contrairement à ce qui a été observé pour des bactéries flagellées où le couplage est élastique.
La viscosité est une propriété interne d’un fluide, qui est à l’origine du frottement hydrodynamique agissant sur tout écoulement non-uniforme. Si la viscosité devient anisotrope, comme c’est le cas dans certains fluides complexes, la force de traînée exercée sur une particule dispersée dépend de la direction du mouvement. Par conséquent, le coefficient de diffusion dépend de la direction.
Fig. 1. a) Schéma d’une particule Janus dans un cristal liquide. L’ordre nématique est le long de l’axe x, formant un angle \phi avec la vitesse u0 de la particule. b) Dans les simulations, les particules tirées par l’avant (« puller ») se détournent de l’axe nématique et se meuvent dans le plan y-z, tandis que celles poussées par l’arrière (« pusher ») s’alignent sur le paramètre d’ordre. c) Evolution temporelle de l’angle \phi; partant de l’état initial \phi = 45° les micro-nageurs se réorientent vers leurs directions stables. Avec des paramètres physiques, le délai est de l’ordre d’une microseconde.
Un phénomène plus intrigant apparaît dans le cas d’une particule active qui utilise de l’énergie interne pour s’auto-propulser. Dans un article intitulé Hydrodynamics Defines the Stable Swimming Direction of Spherical Squirmers in a Nematic Liquid Crystal et publié dans Physical Review Letters [1], Juho Lintuvuori (Equipe matière molle et biophysique ) , Alois Würger ( Equipe théorie de la matière condensée ) et leur collaborateur, montrent que, sur un micro-nageur sphérique (ou « squirmer ») dispersé dans un cristal liquide nématique, s’exerce un couple hydrodynamique. Ce couple dépend de l’activité de la particule, donc de ses forces de surface : Une particule tirée par un moteur monté à l’avant (« puller ») se meut dans une direction perpendiculaire au paramètre d’ordre nématique, tandis qu’un nageur avec le moteur à l’arrière (« pusher ») s’aligne sur l’ordre nématique.
Contrairement à ce qui a été observé pour des bactéries flagellées nageant dans une matrice d’ADN, le couple exercé sur les micro-nageurs artificiels n’est pas d’origine élastique. En combinant des simulations sur réseau avec un modèle analytique, l’équipe franco-écossaise a montré qu’il s’agit bien d’un effet némato-hydrodynamique : avec la viscosité anisotrope d’un du cristal liquide, l’écoulement créé par le micro-nageur résulte en une contrainte visqueuse complexe qui finit par le tourner dans un sens ou dans l’autre.
Ce phénomène qui n’a pas d’équivalent dans les systèmes passifs, pourrait être utile pour des applications futures : L’un de grands défis dans le domaine des micro-nageurs artificiels est de leur faire garder le cap, par exemple pour des systèmes « cargo-carrier », où le micro-nageur est censé tracter une charge vers une cible. A présent, un tel guidage a été réalisé dans des micro-canaux structurées ou fonctionnalisées chimiquement. L’effet de la viscosité anisotrope pourrait marquer un grand pas en avant.
Référence :
[1] J. S. Lintuvuori, A. Würger, and K. Stratford : Hydrodynamics Defines the Stable Swimming Direction of Spherical Squirmers in a Nematic Liquid Crystal, Phys. Rev. Lett. 119, 068001 (2017).
Ce papier a été sélectionné et recommandé par le Journal Club for Condensed Matter Physics.