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Theses Year : 2022

Active Colloidal Gels

Gels Colloïdaux Actifs

Mengshi Wei
  • Function : Author
  • PersonId : 1223121
  • IdRef : 266485103

Abstract

On their way towards equilibrium, but kinetically arrested, colloidal gels is a peculiar state of matter halfway between liquids and solids. Systems of active particles that convert external energy into mechanical work have been the focus of intense research in the past 25 years, as they exhibit a number of phases of matter, which are out of reach for equilibrium systems. In the present work, we first develop a system that combines colloidal gelation and activity. To do so we embed active particles whose activities are controlled by external blue light into a colloidal gel. We then investigate the response of the already-formed passive colloidal gel to activity and the effects of activation on the properties of the gels. We monitor the structure and dynamics of the gel, both before, during, and after the activation period.During activation, the mobility of the passive particles composing the gel increases and exhibits a characteristic scale-dependent response to the activation: at short time the gel reorganizes at large scale, leaving the possibility for a slow reorganization at small scale on longer time scales. The gel reorganizes, with smaller strands coalescing with larger ones and leaving larger holes in the structure. Interestingly, once activation is switched off, the gel keeps the memory of the activation period. After activation, the gel adopts the structure inherited from the reorganization, which took place during the active phase, although the thermodynamic conditions are the same as the one preceding the activation. This structure is typically that of a gel that would have aged longer, as if the activation had accelerated the kinetics. This tempting interpretation is however too simple. As expected in the absence of activity, the dynamics of the so newly formed gel is again frozen as evidenced by the mean square displacement which plateaus at all times. However the value of the mean square displacement after activation is larger than that before activation. That is the gel is softer, a result that contradicts the above simplest interpretation of accelerated aging. We conclude that the system has turned into a genuine different gel, the structure of which looks like that of an older gel, but the dynamics of which is that of a softer gel. In the range of activity explored here, the structural rearrangement and the mobility enhancement both increase with activity.
En route vers l'équilibre, les gels colloïdaux sont un état particulier de la matière, dont la relaxation est interrompue, à mi-chemin entre les liquides et les solides. Les systèmes de particules actives qui convertissent l'énergie externe en travail mécanique ont fait l'objet d'intenses recherches au cours des 25 dernières années, car ils présentent un certain nombre de phases de la matière, hors de portée des systèmes à l'équilibre. Dans ce travail, nous développons d'abord un système qui combine gélification colloïdale et activité. Pour ce faire, nous intégrons dans un gel colloïdal des particules actives, dont l’activité est contrôlée par une lumière bleue. Nous étudions ensuite la réponse à l'activité du gel colloïdal passif préformé, et les effets de l'activation sur les propriétés du gel après la phase d’activation. Nous caractérisons pour cela la structure et la dynamique du gel, avant, pendant et après la période d'activation.Lors de l'activation, la mobilité des particules passives composant le gel augmente et présente une réponse échelle-dépendante à l’activation : au temps courts, le gel se réorganise intensément à grande échelle, ce qui permet au temps long une réorganisation progressive des petites échelles. Le gel se réorganise, avec les brins les plus petits fusionnant avec les plus gros et laissant de plus grands trous dans la structure. Fait intéressant, une fois l'activation désactivée, le gel garde en mémoire la période d'activation. En effet après activation, le gel adopte la structure héritée de la réorganisation qui a eu lieu pendant la phase active, alors que les conditions thermodynamiques sont les même que celles précédant l’activation. Cette structure est typiquement celle d'un gel qui aurait vieilli plus longtemps, comme si l'activation avait accéléré la cinétique. Cette interprétation alléchante est cependant trop simple. Comme prévu en l'absence d'activité, la dynamique du gel ainsi nouvellement formé est à nouveau figée comme en témoigne le déplacement carré moyen qui plafonne à tout temps. Cependant, la valeur du déplacement carré moyen après activation est supérieure à celle avant activation. C'est-à-dire que le gel est moins rigide, un résultat qui contredit l'interprétation ci-dessus d’un vieillissement accéléré. Nous concluons que le système s'est transformé en un véritable nouveau gel, dont la structure ressemble à celle d'un gel plus ancien, mais dont la dynamique est celle d'un gel moins rigide. Dans la gamme d'activité explorée ici, le réarrangement structurel et l'amélioration de la mobilité augmentent tous deux avec l'activité.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03971216 , version 1 (03-02-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03971216 , version 1

Cite

Mengshi Wei. Active Colloidal Gels. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris sciences et lettres, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPSLS019⟩. ⟨tel-03971216⟩
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