Nikhil Desai et Sébastien Michelin récompensés pour leurs recherches sur les gouttes nageuses

De nombreux micro-organismes et cellules vivantes (bactéries, planctons, spermatozoïdes…) sont capables de se déplacer dans des fluides en dépit de leur petite taille et de leur faible masse. Mais des systèmes inertes, parfois aussi simples qu’une goutte d’huile dans de l’eau, peuvent devenir des « micronageurs » en tirant de l’énergie du fluide qui les entoure. Dans un article publié dans Physical Review Fluids, Nikhil Desai et Sébastien Michelin, chercheurs au Laboratoire d’hydrodynamique (LadHyx*), se sont intéressés à ces gouttes actives lorsqu’elles se déplacent le long d’une paroi et ont éclairé une zone d’ombre qui n’avait jamais été explorée théoriquement. Ils viennent de recevoir pour ce travail le prix François Frenkiel de mécanique des fluides de l’American Physical Society.  

Le modèle général qu’ils considèrent sont des gouttes dont la composition chimique diffère de celle du liquide qui les entourent. A la surface de la goutte ont lieu des échanges physico-chimiques (émission ou capture d’un composé). Ce mécanisme a lieu de manière identique dans toutes les directions. Mais si la goutte se déplace légèrement, le transport du composé chimique par l’écoulement autour de la goutte génère une différence de concentration à la surface qui produit un écoulement, lequel propulse en retour la goutte. Ce phénomène de propulsion était déjà bien compris des scientifiques, mais tous les modèles théoriques considéraient jusqu’alors que la goutte nageait dans un fluide infini. Or, dans les expériences, elles se trouvent toujours à proximité d’une paroi. Est-ce que le modèle devient inopérant ? Toute la communauté avait conscience du problème, mais celui-ci est plus difficile à résoudre que le cas d’une simple goutte sphérique.

La difficulté réside dans le fait qu’il faut décrire avec précision ce qu’il se passe à l’interface entre la goutte et le liquide. Nikhil Desai et Sébastien Michelin ont réussi à le faire sans approximation grâce à l’utilisation d’un système de coordonnées « bisphériques » particulier. En combinant modélisation et simulation numérique, ils ont réalisé la première analyse de stabilité linéaire d’une goutte active soumis à une petite pichenette à proximité d’une paroi. Verdict : la goutte peut se mettre en mouvement. « Sa propulsion est même plus efficace au voisinage de la paroi » explique Sébastien Michelin. Le modèle physique utilisé par la communauté sort donc renforcé.

Avec Nikhil Desai (aujourd’hui en post-doctorat à l’université de Cambridge), Sébastien Michelin poursuit l’étude de ce système. Cela a donné lieu à un second article analysant comment se comporte la goutte une fois mise en mouvement. Plus largement, ce travail s’inscrit dans le projet CollectSwim mené par Sébastien Michelin et soutenu par une bourse Starting Grant du European Research Council (ERC) depuis 2017 dont l’objectif est d’aller d’une modélisation individuelle détaillée (comme ici), jusqu’à la compréhension de la dynamique collective d’un ensemble de micronageurs.

A propos du prix François Frenkiel de mécanique des fluides

La Division de Dynamique des Fluides de l’American Physical Society décerne le prix François Frenkiel à de jeunes chercheurs en reconnaissance de contributions significatives à la mécanique des fluides qui ont été publiées l'année précédente dans Physical Review Fluids. Les auteurs éligibles ne doivent pas avoir travaillé plus de 12 ans à temps plein après l'obtention de leur diplôme universitaire le plus élevé, avant l'année de publication de l'article.

https://engage.aps.org/dfd/honors/prizes-awards/frenkiel-award

*LadHyX : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris