Activity Mediated Interactions in Soft Matter. Structure, Interactions, and Phase Transitions

Abstract

In this thesis we asses the phenomena of arising interactions in soft matter in coexistence with soft active matter. As a non-equilibrium bath we introduce ensembles of self-propelled particles, granular shaken beds, and photo active catalytic particles. We start the thesis with a detailed study of the widely used Active Brownian Particle (ABP) model. This model exhibits a non-equilibrium phase transition which has been intensively studied in recent years, we have finally reported that this transition satisfies all features of equilibrium first order phase transitions. Then, we introduce aligning interactions in ABP and characterize the emergent collective phenomena. In parallel, we explore the emergent forces, from mechanical contact forces, in probe particles in suspensions of aligning active particles and horizontally shaken granular beds. We characterize the forces and identify the emergence of long range interactions in both systems, in aligning active particles long range attractive interactions appear as alignment is increased, and in granular shaken media when the pair of particles align in the shaking direction. Finally, we conclude this thesis with the study of emergent interactions in spherically symmetric systems of catalytic active particles. Symmetry does not permit such particles to propell but the symmetry is broken with the addition of neighboring particles. We model the pair interaction in terms of the relative velocity between particles, and proceed to explore the emergent structures in mixtures of catalytic magnetic particles, and passive particles. We have unveiled the formation of clusters of passive particles. The addition of magnetic interactions between active particles leads to the formation of ramified gel-like structures for dense configurations of active particles. In this case, experimentalists have checked the formation of structures with the same morphologies in experiments in the laboratory.

En aquesta tesi abordem el fenomen de les interaccions emergents en matèria tova en coexistència amb matèria tova activa. Com a sistemes de matèria tova activa introduïm col·lectius de partícules autopropulsades, col·loides amb capacitat de catalitzar productes químics i medis granulars agitats. Primer de tot estudiem en detall un model molt estès per a partícules actives, el model de les partícules actives brownianes (ABP). D'aquest model estudiem amb detall una transició de fase de no equilibri i comprovem que la transició satisfà amb les característiques d'una transició en equilibri de primer ordre. Seguidament incorporem interaccions d'alineació en el model de partícules actives i procedim a estudiar les propietats col·lectives de les suspensions de partícules actives amb alineació. Per tal d'abordar l'objectiu de la tesi introduïm partícules de prova en suspensions de partícules actives, i en medis granulars amb forçament periòdic horitzontal, amb diferents paràmetres d'activitat per tal d'estudiar les forces, des d'un punt de vista mecànic, que emergeixen entre les parelles. Hem caracteritzat les forces i hem identificat l'aparició d'interaccions de llarg abast per sistemes de partícules amb alineació i en sistemes granulars en la direcció del forçament. Finalment, tanquem la tesi amb l'estudi i modelització d'interaccions emergents per a partícules catalítiques amb simetria esfèrica. La simetria no permet a les partícules d'autopropulsar-se però la presència de partícules al seu entorn sí que dóna lloc a interaccions, en forma de velocitats induïdes. Amb un model raonable de la interacció a distància hem calibrat la magnitud de la interacció amb sistemes experimentals i procedit a caracteritzar les estructures emergents per a mescles de partícules actives i passives que van des de la formació d'agregats en forma de clústers. L'addició d'interaccions magnètiques entre partícules actives permet la formació d'estructures ramificades de tipus gel. En aquest cas l'equip experimental ha pogut comparar l'aparició d'estructures amb les mateixes característiques al laboratori.