Nageur Marangoni dans des écoulements externes - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Marangoni swimmers in external flows

Nageur Marangoni dans des écoulements externes

Camille Perret
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1487983
  • IdRef : 282476695

Résumé

Self-propelled objects, capable of moving by harnessing an energy source either onboard or present in their environment, are ubiquitous, whether in the form of mechanical machines or living organisms. However, certain challenges, such as controlled drug delivery in medicine or the spontaneous structuring of objects at various scales in active matter, have sparked growing interest in developing strategies for the self-propulsion of objects of various sizes. This thesis focuses on a particular category of these objects: interfacial swimmers. The term "swimmer" refers to entities operating in a fluid environment, more specifically at the interface between two fluids, which is characterized by surface energy, or surface tension, acting as a linear force. To propel themselves, interfacial swimmers generate a surface tension gradient by releasing a chemical species, such as a surfactant, or by emitting heat. Although this propulsion mechanism was first identified as early as 1686, in the same century as the steam engine, its characteristics remain partially understood, both quantitatively and qualitatively. To date, research has primarily focused on the propulsion mechanism and the spontaneous dynamics of these swimmers. The simplest models, though far removed from experimental conditions, manage to capture the main parameters influencing their motion. Numerical studies that are more closely aligned with experimental regimes have also been conducted, but since velocity is the only experimentally accessible observable, it is challenging to assess the assumptions and simplifications of these models. The objective of this thesis is therefore to propose a comprehensive experimental characterization of Marangoni swimmers and to develop a toolbox for their study. All aspects of their dynamics have been explored, including force balance, generated flow fields, and surfactant distribution, through the development of new experimental and numerical tools. Experimentally, the studied swimmers consist of agarose discs with a 4 mm radius, loaded with camphor. Their dynamics, characterized by spontaneous translation at steady velocities, have been analyzed. We examined how this swimming speed depends on parameters such as water depth, duration of swimming, and others. This study provides, for the first time, a complete and quantitative characterization of interfacial swimmers.
Les objets autopropulsés, capables de se déplacer en exploitant une source d’énergie embarquée ou présente dans leur environnement, sont omniprésents, qu’il s’agisse de machines mécaniques ou d’êtres vivants. Toutefois, certaines problématiques, telles que la délivrance contrôlée de médicaments en médecine ou la structuration spontanée d’objets à différentes échelles en matière active, ont suscité un intérêt croissant pour le développement de stratégies permettant l’auto-propulsion d’objets de tailles variées. Cette thèse s’intéresse à une catégorie particulière de ces objets : les nageurs interfaciaux. Le terme « nageur » fait référence à des entités évoluant dans un milieu fluide, plus précisément à l’interface entre deux fluides, caractérisée par une énergie surfacique, la tension de surface, qui agit comme une force linéaire. Pour se propulser, les nageurs interfaciaux créent un gradient de tension de surface par la libération d’un tensioactif ou de chaleur. Bien que ce mécanisme de propulsion ait été identifié dès 1686, au même siècle que la machine à vapeur, ses caractéristiques demeurent partiellement comprises, tant sur le plan quantitatif que qualitatif. Jusqu'à présent, les recherches se sont principalement concentrées sur le mécanisme de propulsion et la dynamique spontanée des nageurs. Les modèles les plus simples, bien que distants des conditions expérimentales, parviennent à capturer les principaux paramètres influençant leur mouvement. Des études numériques plus proches des régimes expérimentaux ont été réalisées, mais la vitesse étant la seule observable expérimentale disponible, il est difficile d’évaluer les hypothèses et simplifications des modèles. L’objectif de cette thèse est donc de proposer une caractérisation expérimentale complète des nageurs de Marangoni et de créer une boîte à outils. Tous les aspects de la dynamique ont été explorés : l’équilibre des forces, l’écoulement généré, et la distribution du tensioactif, en développant de nouveaux outils expérimentaux et numériques. Sur le plan expérimental, les nageurs étudiés sont constitués de disques d’agarose de 4mm de rayon chargés en camphre. Leur dynamique, caractérisée par une translation spontanée à des vitesses stationnaires, a été analysée. Nous avons examiné comment cette vitesse de nage dépend de paramètres tels que l’épaisseur d’eau, la durée de nage, etc. Cette étude fournit pour la première fois une caractérisation complète et quantitative des nageurs interfaciaux.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04879716 , version 1 (10-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04879716 , version 1

Citer

Camille Perret. Nageur Marangoni dans des écoulements externes. Physique [physics]. Université Claude Bernard - Lyon I, 2024. Français. ⟨NNT : 2024LYO10201⟩. ⟨tel-04879716⟩
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