Guiding active particles through surface interactions

Abstract

Living organisms and systems are continually converting energy, either internally stored or transduced from their surroundings, into motion. This activity and the resulting self-propulsion constantly push these biological systems out of thermal equilibrium. A number of exotic phenomenon result from the intrinsic non-equilibrium nature of these living systems, that are not accessible in a system at thermal equilibrium. In recent years, these ubiquitous non-equilibrium systems have come to be classified as active matter. Active matter, by definition, refers to systems composed of active units, each capable of converting ambient or stored energy into systematic movement. Examples range from the sub-micrometer scale, with microtubules associated with motor proteins in the cytoplasm, to the micrometer length scales of swimming bacteria, and the meter-length scales of greater familiarity, such as that of fish and birds. There are two common themes that run through all these active matter systems. The first is the emergence of correlated collective phenomenon through particle-particle interactions as exemplified in flocking of birds, swarming of bacteria and crystallization of self-propelled particles. And the second is the ability of the active units to interact with their surroundings through self-propulsion. Common examples of this include chemotaxis and rheotaxis, observed in many biological systems. In this thesis, I have focussed on studying the ability of artificial active matter systems to respond to their local environment. As a model active matter system, we use colloidal active particles, that propel due to self-diffusiophoresis. These particles coated with two different materials on each half are referred to as Janus particles. In a solution of H2O2, one of the sides has catalytic properties (Pt), while the other half remains inert (SiO2). This creates a concentration gradient of the reaction product along the surface of the particle and induces a phoretic slip, which propels the particle. We study the dynamics of these self-phoretic particles close to solid surfaces. The particles interact with their surroundings via hydrodynamic and phoretic effects and we observe that when confined closed to a surface, a strong alignment interaction comes into play. This effect can be used to guide micron sized active particles along predetermined pathways. We then exploit this alignment interaction to design micropatterned ratchets capable of generating a strong directional flow of active particles. A different geometry of the same system can also be used to accumulate active particles in confined areas. Finally, we study the influence of an applied external shear flow on the dynamics of active particles near surfaces. We find that a strong directional response emerges for the active particles in the direction perpendicular to the flow direction leading to the cross-stream migration of active particles. This response is dependent on the applied shear flow and the propulsion velocity of the particle, potentially opening up a possibility to sort particles of different activities based on their response to shear flows. Overall, our results indicate that active particles can have a strong directional response in certain environments allowing us to engineer ways of guiding them.

Los organismos y sistemas vivos convierten energía almacenada internamente o derivada de sus alrededores en movimiento de forma continua. Esta actividad puede causar una constante auto-propulsión que lleva a estos sistemas a un estado fuera de equilibrio térmico. Gracias a esto, aparecen un gran número de fenómenos exóticos que no son accesibles para un sistema que se encuentra en equilibrio térmico. En los últimos años se ha clasificado a estos sistemas de no equilibro como “material activa”. La materia activa, por definición, incluye los sistemas compuestos de unidades activas, cada una de ellas capaz de convertir la energía almacenada o del entorno en movimiento sistemático. Existen varios ejemplos que van desde la escala sub-micrométrica, donde podemos encontrar a los microtúbulos asociados a proteínas motoras en el citoplasma, a las grandes escalas, donde se encuentran sistemas más familiares como peces o pájaros, pasando por la escala micrométrica, donde nadan las bacterias.

Podemos diferenciar dos temas principales que se manifiestan en todos estos sistemas de materia activa. El primero es la aparición de fenómenos colectivos correlacionados a través de interacciones partícula-partícula, como ocurre en bandadas de pájaros, enjambres bacterianos y la cristalización de partículas auto-propulsadas. El segundo es la capacidad de estas unidades activas de interaccionar con sus alrededores a través del fenómeno de la auto-propulsión, por ejemplo, a través de quimiotaxia o reotaxia, como se puede observar en muchos sistemas biológicos y que ya han sido reportados en varios estudios. En esta tesis, me he enfocado en el estudio de este último tema principal: la interacción de partículas activas con su entorno local.

Como modelo de sistema de materia activa, usamos partículas activas coloidales que se propulsan gracias al fenómeno de auto-difusioforesis. Estas partículas están recubiertas por dos materiales diferentes en cada una de sus caras, y son comúnmente llamadas “partículas Janus”. Una de sus caras está recubierta con Pt, material que cataliza la descomposición de H2O2, mientras que la otra cara está recubierta de un material inerte (SiO2). En una solución de H2O2, la reacción que ocurre en la parte catalítica produce un gradiente de concentración de producto a lo largo de la superficie de la partícula e induce un deslizamiento forético que la propulsa. En esta tesis se ha estudiado la dinámica de estas partículas "autoforéticas" cerca de superficies sólidas. De manera natural, las partículas interaccionan con su alrededor debido a los efectos foréticos e hidrodinámicos. Cuando estas partículas se hayan confinadas cerca de una superficie, observamos que se origina en ellas una fuerte interacción de alineamiento. A partir de ello, consideramos interesante diseñar ratchets micro estampados capaces de generar un flujo direccional de partículas activas. Por otra parte, estudiamos la influencia de aplicar un flujo de cizalla externo en la dinámica de las partículas activas cerca de superficies. A consecuencia del flujo externo, encontramos que en el sistema emerge una respuesta fuertemente direccional para las partículas activas en la dirección perpendicular al flujo provocando una migración "cross-stream" de partículas activas.