Reflets de la Physique n°57 avr/mai 2018
Reflets de la Physique n°57 avr/mai 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°57 de avr/mai 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 5,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier micronageurs naturels et artificiels.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
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D. Bartolo et D. Geyer. yeye : u *** né. y * y.w et o a o b o c.a. e'.. ee Pa *. en'1.1 e**e *s ee., **:i... °..1. ne 6 à e * e n à iei-rid:.:....'`.4. `  : *ft. t 0. n *yOr y * F limmeireeuyymilla irufflogou ariblee. 1611MM/el.'MI> l'ell"."U'llr ilewelliImelle i ey:en:ye y. ye ;ye e V.n. a y. 041:66:ny: à e  : e 4. e le un..6'_._. ; n It.i.jeeP... 6 +1 e " yrey u. tee"..e.1:1:1:1419F-litiell":11"1'1",. 4. era.'eau.  : "...et ea ria...-4-niek- ; -ip ° 1 0 aie. I.. ` à 0.  : n ne..i.'. ; i,. a. e IP ey yy My y. y ey›. :. y y y i el le 0% " len we eue n :.n..9 u y ee...v:'...a* ml.44 y le - y*... y. * mille  : rt y «.4%x. 4 Y" * e 5 μm.. I u* 4. -1.- à.:111'114 _-.- —u. 4e..." 1. 6, y sy Us * 1:1  : à leu.. nm.:. e * e7 : el:..:i en.8.*.. ne, ea. 0 0 a. ***.% mei..i 0. :. us.. à. "I" e:  : es...ne.s.  : 'e0. A%.i.r... D. t e s o 0' le. e‘ *... *a u: y..:.... b.n. a, lie É à.% 6.ie rea › 0 #r 1. Assemblée de colloïdes autopropulsés formant un liquide capable de s’écouler spontanément. La couleur des colloïdes indique l’orientation de leur vitesse par rapport à l’axe horizontal (angle en degrés). Les trajectoires de cinq colloïdes localisés à l’extrémité droite des lignes grises illustrent leur mouvement dirigé de la gauche vers la droite de l’image. Ces trajectoires sont mesurées pendant 0,9s. Largeur de l’image  : 1 mm. Les mécanismes de propulsion des micronageurs naturels Les micronageurs naturels ont deux stratégies pour se propulser à travers un fluide  : soit ils poussent sur le fluide (ils sont alors appelés « pousseurs ») , soit ils le tirent vers eux (ce sont des « tireurs »). L’article de H. Auradou et al. (p. 20) s’intéresse à des pousseurs, tandis que celui de S. Rafaï et P.Peyla (p. 24) s’intéresse à des tireurs. Les figures E1a,b illustrent la technique de nage des bactéries pousseuses Escherichia coli [i]. Ces bactéries possèdent entre cinq et dix flagelles, longs filaments hélicoïdaux de protéines connectés à leur corps par des moteurs cellulaires. Ceux-ci mettent en rotation les flagelles qui se groupent alors en une tresse hélicoïdale soumise à une force propulsive orientée vers l’avant, laquelle propulse la bactérie et crée un écoulement du fluide vers l’arrière. Le corps, soumis à un couple de réaction opposé à celui appliqué à l’hélice, tourne en sens opposé. En avançant, la bactérie pousse le fluide, crée ainsi un écoulement vers l'avant et est soumise par réaction à une force de trainée dirigée vers l’arrière. L’effet de la bactérie sur le fluide à une distance grande devant sa taille se modélise donc par deux forces opposées en régime stationnaire pour avoir une résultante nulle et de points d’application différents  : ce dipôle de forces induit autour du micro-organisme l’écoulement schématisé dans la figure E1b. Dans l’axe de la bactérie, le fluide est éjecté vers l’extérieur, aussi bien à l’avant qu’à l’arrière. Il est au contraire attiré vers la bactérie dans les directions perpendiculaires. Les figures E1c,d correspondent à des microalgues comme les Chlamydomonas reinhardtii qui sont, au contraire, un exemple de tireurs [ii]  : elles tirent sur le fluide en utilisant des flagelles frontaux comme le ferait un nageur de brasse avec ses bras. À l’arrière, le fluide est ramené vers le nageur (figs. E1c,d). On a à nouveau un dipôle de forces, mais ses composantes sont en sens inverse des précédentes. [i] H.C. Berg, E. coli in motion, Springer Science & Business Media (2004). [ii] M. Polin et al., Science 24 (2009) 487. 18 Reflets de la Physique n°57 E1. Pousseurs et tireurs  : deux façons de nager. (a,c)  : Mouvements de nage (flèches grises) et forces induites (flèches noires) pour les micro-organismes pousseurs (a) et tireurs (c). (b,d)  : Dipôles de forces équivalents (vecteurs en noir) et écoulements du fluide provoqués par la nage (lignes vertes) pour ces microorganismes. d 10 μm +10° +5° 0° -5° -10° (Crédit  : H. Auradou).
 » > Aujourd’hui, les micronageurs sont donc parmi les objets d’étude les plus fascinants des physiciens. L’ingéniosité des chercheurs a permis le développement de micronageurs synthétiques, qui intègrent des moteurs électriques ou électrochimiques à leur surface. Quant aux micronageurs naturels, ce sont des moteurs moléculaires qui assurent leur propulsion à travers un fluide soit en le poussant, soit en le tirant (voir encadré). Grâce à leurs moteurs, micronageurs naturels et artificiels sont des marcheurs aléatoires persistants. Aux temps courts, ils ont un mouvement balistique et se déplacent à vitesse constante. Cette vitesse peut atteindre une centaine de micromètres par seconde, soit dix fois sa taille par seconde pour la microalgue Chlamy (voir la photo, p.26), et peut atteindre de l’ordre de mille fois sa taille par seconde pour un micronageur artificiel. Après un temps de persistance, les micronageurs changent de direction aléatoirement à cause, par exemple, du désassemblage des flagelles des bactéries ou de l’agitation thermique pour des colloïdes synthétiques. La succession de phases de course, durant lesquelles le micronageur se déplace en ligne droite à vitesse constante, et de changements de direction appelés culbutes, 5 μm est analogue à un mouvement diffusif, avec un coefficient de diffusion effectif beaucoup plus grand que le coefficient de diffusion thermique pour les mêmes microparticules non motiles. Des trajectoires observées expérimentalement sont montrées dans les figures 1 et 2. Ce dossier comprend trois articles, qui illustrent les comportements émergents des micronageurs naturels et artificiels. Les deux premiers articles sont 5 consacrés μm à des micronageurs naturels. L’article de Harold Auradou, Carine Douarche, Adama Creppy, Hector Matias Lopez et Éric Clément explique comment la présence de bactéries dans un liquide peut parfois réduire sa viscosité effective, jusqu'à éventuellement la rendre négative. Salima Rafaï et Philippe Peyla décrivent comment des microalgues en écoulement s’agglomèrent spontanément en s’orientant vers une source de lumière. Enfin, Cécile Cottin-Bizonne et Denis Bartolo montrent comment motoriser des microparticules synthétiques pour les transformer en micronageurs artificiels et explorent leur dynamique collective. La motilité de particules actives en inter actions répulsives peut alors les contraindre à s’agréger en groupes compacts. Ainsi, des interactions sans analogue dans les 5 systèmes μm passifs peuvent être responsables de l’écoulement spontané de liquides actifs synthétiques. ❚ Harold Auradou (1), Denis Bartolo (2), Éric Clément (3), Adama Creppy (1), Cécile Cottin-Bizonne (4), Carine Douarche (5), Hector Matias Lopez (1), Philippe Peyla (6), Salima Rafaï (6) et Laurence Ramos (7) (laurence.ramos@umontpellier.fr) 5 μm (1) Laboratoire FAST, Orsay. (2) Laboratoire de Physique, ENS Lyon. (3) PMMH, ESPCI, Paris. (4) Institut Lumière-Matière, Lyon. (5) Laboratoire de Physique des Solides, Orsay. (6) Laboratoire Interdisciplinaire de Physique, Grenoble. (7) Laboratoire Charles Coulomb, Montpellier. 7 Références 1 N. Lane, «The unseenworld : reflections on Leeuwenhoek (1677) ‘Concerning little animals", Phil. Trans. R. Soc. B 370 (2015) 20140344. 2 E. Lauga et R. E. Goldstein, «Dance of the microswimmers», Physics Today 65 (2012) 30.  : \2. Déplacement de micronageurs. Série d'images de microscopie, séparées de 50 ms, montrant deux bactéries. La bactérie indiquée par une flèche bleue fait une culbute au cours de la séquence  : les flagelles se « dépelotonnent », induisant une réorientation du corps (ici d'environ 90 degrés). Les moteurs se remettent ensuite à tourner dans le même sens et la bactérie repart sur une course (g, h). La flèche verte montre une bactérie dont les flagelles restent groupés en une seule hélice avançant en ligne droite à une vitesse d'environ 20 μm/s pendant toute la séquence. Avancées de la recherche a b c d e f g h 10 μm +10° +5° 0° -5° 10 μm -10° +10° G. Junot. Reflets de la Physique n°57 19



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