Hydrodynamic effects on active colloidal suspensions

Abstract

The goal of this thesis is studying hydrodynamic effects on active colloidal suspensions. Hydrodynamic interaction is propagated through the fluid in which the colloids displace due to the flow they create during their motion. It can lead to the emergence of collective phenomena, such as the self-assembly of more complex structures. Hydrodynamic interactions are not the only present in the system, since other forces may be acting between colloids, or there can be external fields acting on them such as gravity. We present our study for two different systems: magnetic colloids and Janus particles. When applying a circular magnetic field, we can induce a rotation to a particle possessing a magnetic moment. Due to the coupling of the flow with the one created by surrounding particles and with system interfaces, a rotor will eventually self-propel. Two magnetic moments interact with each other through the magnetic dipole-dipole force, which tends to align them into arrays. We study how the balance between hydrodynamic, magnetic and gravitational forces determines the morphology of the structures magnetic colloids can form. Janus particles have two faces with different chemical properties, thus the interaction between them depends on their relative orientation. We study the morphology and order of the structures that can emerge for these particles as a function of the intensity, sign and reach of the interaction between them, as well as the type of flow they create when self-propelling. Methodologically, we have combined the use of far-field theory to draw analytical expressions that have given us qualitative insight on the results we could expect with high-performance computing simulations which have allowed us to extend our study to bigger systems.

En aquesta tesi ens proposem estudiar els efectes hidrodinàmics en suspensions col·loidals actives. La interacció hidrodinàmica es propaga a través del fluid en el que es desplacen els col·loids degut al flux que ells mateixos creen durant el seu moviment, podent donar lloc a l’emergència de fenòmens col·lectius, com l’autoorganització en estructures més complexes. Les interaccions hidrodinàmiques no són les úniques presents en el sistema, ja que pot haver-hi d’altres forces actuant entre els col·loids, o podem considerar l’efecte d’altres camps com la gravetat. Presentem el nostre estudi per a dos sistemes diferents: col·loids magnètics i partícules Janus. En aplicar un camp magnètic circular, es pot induir una rotació a una partícula que posseeixi un moment magnètic. Degut a l’acoplament del flux amb el creat per altres partícules i les parets del sistema, un rotor pot acabar desplaçant-se. Dos moments magnètics interactuen entre ells mitjançant la força dipolar, que afavoreix el seu alineament i la formació de cadenes de col·loids. Estudiem com el balanç entre interaccions hidrodinàmiques, magnètiques i efectes gravitatoris afecta a la morfologia de les estructures que poden formar els col·loids magnètics. Les partícules Janus tenen dues cares amb propietats químiques diferents, quelcom que dóna lloc a una interacció entre elles que depèn de la seva orientació relativa. Estudiem les estructures que poden aparèixer per a aquestes partícules com a funció de la intensitat, signe i abast d’aquesta interacció, així com de la forma del flux que creen en desplaçar-se. Metodològicament, hem combinat expressions analítiques aproximades per tenir una idea qualitativa dels fenòmens que hom pot esperar amb simulacions per ordinador per poder estudiar els fenòmens col·lectius en sistemes de més partícules.