Out-of-equilibrium dynamics in driven and active magnetic colloids

Abstract

In this thesis we investigate the structure formation and the out-of-equilibrium dynamics of driven and active magnetic colloids. The interactions in our system were tuned in situ by using external fields, with the aim of finding novel approaches to drive and engineer these microparticles into a rich variety of microstructures. The colloids formed chains and clusters able to transport cargos, space-filling gels and self-healing crystals. Moreover, we demonstrated the bidirectional transport of paramagnetic particles on top of a structured magnetic substrate. Because of their associated length-scale, colloids are experimentally accessible with traditional optical microscope techniques. We analysed the data extracted from digital video microscopy and used such information to infer the particle dynamics. Colloids have been proven to be excellent model systems for structures across different length scales that are more difficult to observe, such as collections of atoms and molecules. Furthermore, they are helpful test-beds to investigate fluid dynamics at low Reynolds number and can form artificial micromachines that are essential for the realization of disparate functional tasks at the microscale.

En aquesta tesi hem investigat la dinàmica fora de l'equilibri de col·loides magnètics i el seu comportament individual i col·lectiu. Controlant les interaccions utilitzant camps magnètics externs i l'activitat química de col·loides especialment sintetitzats, vam construir microdispositius nedadors capaços de transportar altres materials i formar cadenes, agrupacions, gels, i cristalls amb l'habilitat de reordenar-se. A més, vam demostrar el transport bidireccional de partícules paramagnètiques sobre un substrat magnètic. A causa de la seva mida, els col·loides són fàcilment accessibles experimentalment i es poden observar amb microscopis òptics tradicionals. Mitjançant tècniques de videomicroscopia, vam obtenir informació sobre la dinàmica fora d'equilibri dels sistemes estudiats. S'ha demostrat que els col·loides poden ser sistemes model excel·lents per estructures amb diferents escales de longitud que són més difícils d’observar. D'altra banda, els col·loides ens van ajudar a comprendre la dinàmica de fluids a baix nombre de Reynolds, el que té aplicacions en estudis de microfluídica. Aquest treball és un pas més que ens acosta a trobar un microdispositiu òptim basat en partícules col·loïdals per manipular, transportar i controlar processos a aquestes escales.