Soutenance de thèse 18/11/2025

L’auto-assemblage colloïdal, par lequel des particules s’organisent spontanément en structures ordonnées sous l’effet de forces d’interaction, constitue un modèle privilégié pour explorer les mécanismes fondamentaux de l’auto-assemblage et offre un fort potentiel applicatif. En médecine, ces assemblages peuvent servir de vecteurs pour le transport ciblé de molécules ou comme micro-robots thérapeutiques ; en micro et nanotechnologies, comme micro-mélangeurs ou capteurs ; et en science des matériaux, ils permettent de concevoir des structures innovantes telles que des cristaux photoniques.

Bien que l’auto-assemblage de particules isotropes ait été largement étudié, les composants réels sont rarement parfaitement symétriques. Les asymétries géométriques, d’interaction ou de masse influencent fortement la structure, la dynamique et les propriétés mécaniques des assemblages, mais leur rôle reste encore partiellement étudié. Cette thèse aborde cette question à travers une approche combinant expériences, théorie et simulations numériques.

Expérimentalement, des chaînes permanentes de particules paramagnétiques ont été synthétisées par réticulation chimique et étudiées sous l’action d’un champ magnétique tournant à haute fréquence. Leur rotation lente et asynchrone a été décrite à l’aide d’un modèle théorique reliant leur dynamique aux propriétés du champ et aux caractéristiques des chaînes. Ce modèle s’accorde bien avec les données expérimentales. Les résultats montrent que la vitesse de rotation est proportionnelle au carré de l’intensité du champ (ω ∝ B²), augmente avec la fréquence et dépend de la longueur des chaînes : plus une chaîne est longue, plus sa vitesse angulaire diminue (ω ∝ ln(4N)/N²). Le modèle prédit une variation non monotone de la vitesse avec la fréquence, atteignant un maximum lorsque celle-ci correspond à l’inverse du temps de relaxation magnétique des particules, et permet d’estimer ce temps. Les valeurs obtenues sont en bon accord avec la littérature.

Après avoir étudié la dynamique des chaînes permanentes, nous avons analysé leur incorporation dans des agrégats mixtes, constitués de chaînes et de particules isotropes. La vitesse angulaire de ces agrégats, en fonction de leur surface et de leur composition (longueur des chaînes et proportion de particules libres), montre que les chaînes ralentissent la rotation en augmentant le module élastique. Comparés au modèle théorique préexistant pour les agrégats isotropes, ces résultats confirment que la loi de puissance reliant la vitesse angulaire à la surface reste valide.

Parallèlement, nous avons étudié numériquement un modèle de systèmes colloïdaux répulsifs, qui modélise un ensemble de particules et de doublets soumis à un champ magnétique perpendiculaire, analogue cas expérimental. Trois configurations ont été considérées : monocomposant, binaire avec asymétrie des interactions, et binaire avec asymétrie des interactions et de masse. Les résultats montrent qu’une proportion plus élevée de doublets renforce la structuration locale, élève la température de transition fluide-solide et ralentit la dynamique, tout en accentuant les modules viscoélastiques. L’asymétrie de masse n’affecte pas la structure mais intensifie le ralentissement dynamique et renforce également les propriétés viscoélastiques.

Ces travaux montrent que les asymétries sont déterminantes pour contrôler le comportement des systèmes colloïdaux, ouvrant des perspectives pour la conception de matériaux fonctionnels, notamment pour le transport ciblé, les capteurs et la micro-rhéologie.

Colloidal self-assembly, in which particles spontaneously organize into ordered structures under the influence of interaction forces, constitutes a valuable model for exploring the fundamental mechanisms of self-assembly and offers significant applicative potential. In medicine, these assemblies can serve as vectors for targeted molecule delivery or as therapeutic micro-robots; in micro- and nanotechnologies, as micro-mixers or sensors; and in materials science, they enable the design of innovative structures such as photonic crystals.

Although the self-assembly of isotropic particles has been extensively studied, real components are rarely perfectly symmetric. Geometric, interaction, or mass asymmetries strongly influence the structure, dynamics, and mechanical properties of assemblies, yet their role remains only partially understood. This thesis addresses this issue through an approach combining experiments, theory, and numerical simulations.

Experimentally, permanent chains of paramagnetic particles were synthesized by chemical crosslinking and studied under a high-frequency rotating magnetic field. Their slow and asynchronous rotation was described using a theoretical model linking their dynamics to the field properties and the chain characteristics. This model agrees well with the experimental data. The results show that the rotation speed is proportional to the square of the field intensity (ω ∝ B²), increases with frequency, and depends on the chain length: the longer the chain, the lower its angular velocity (ω ∝ ln(4N)/N²). The model predicts a non-monotonic variation of the velocity with frequency, reaching a maximum when the latter equals the inverse of the magnetic relaxation time of the particles, and allows this time to be estimated. The obtained values are in good agreement with the literature.

After studying the dynamics of permanent chains, we analyzed their incorporation into mixed aggregates composed of chains and isotropic particles. The angular velocity of these aggregates, as a function of their surface area and composition (chain length and proportion of free particles), shows that the chains slow down rotation by increasing the elastic modulus. Compared to the preexisting theoretical model for isotropic aggregates, these results confirm that the power law relating angular velocity to surface area remains valid.

In parallel, we numerically studied a model of repulsive colloidal systems, representing a collection of particles and doublets subjected to a perpendicular magnetic field, analogous to the experimental case. Three configurations were considered: single-component, binary with interaction asymmetry, and binary with both interaction and mass asymmetry. The results show that a higher proportion of doublets enhances local structuring, raises the fluid–solid transition temperature, and slows down the dynamics, while also increasing the viscoelastic moduli. Mass asymmetry does not affect the structure but further slows down the dynamics and also strengthens the viscoelastic properties.

These results demonstrate that asymmetries play a key role in controlling the behavior of colloïdal systems, opening perspectives for the design of functional materials, particularly for targeted transport, sensors, and micro-rheology.