Hydrodynamics of microswimmers in confined and complex environments

Hydrodynamique de micronageurs dans des environnements confinés et complexes Dans cette thèse, le transport de Chlamydomonas reinhardtii (CR) dans un milieu confiné sous écoulement de Poiseuille est étudié. Ce travail s'inscrit dans le cadre de recherches sur la compréhension de la rétention de micronageurs dans la mousse marine. Afin de reproduire un milieu similaire à celui des canaux des mousses, nous avons orienté notre étude sur la compréhension de la nage de ces microalgues dans un capillaire carré de 200 µm de côté, positionné verticalement de sorte à allier confinement, géométrie présentant des angles, et écoulement. En effet, puisque le capillaire est disposé verticalement, les effets de la gravité peuvent être étudiés et un écoulement de Poiseuille est également appliqué afin d'analyser les trajectoires confinées sous écoulement. Dans un premier temps, nous introduisons le système développé pour suivre les micronageurs en 3D dans des capillaires verticaux. La technique présentée est une stéréoscopie avec une seule caméra, utilisant deux miroirs disposés derrière le capillaire afin d'avoir les deux réflexions de ce dernier. Les procédés de reconstruction des trajectoires en 3D sont également décrits. Grâce à ce système, nous avons mis en évidence l'absence de comportements gravitactiques dans un environnement très confiné, que nous interprétons comme une désorientation due à la fréquence élevée des chocs contre les parois. Partant de ce constat, nous avons supposé les effets de la gravité négligeables dans nos expériences et nous avons conduit une étude du confinement sans écoulement. Cette analyse a été conduite sur des capillaires de différentes largeurs et également entre deux lames peu distantes de façon à confiner le système dans une seule direction. Les lames étaient placées horizontalement et le suivi des CR a été effectué avec un système de suivi Lagrangien qui existait déjà dans le laboratoire et que nous avons adapté au suivi des algues. Les résultats de cette étude indiquent que les confinements 1D et 2D induisent une réduction du coefficient de diffusion et de la longueur de persistance des trajectoires des algues. Une étude approfondie des interactions avec les parois indique également que les algues ont une grande densité de présence près des bordures et dans les coins. Enfin, nous avons caractérisé le transport des algues sous écoulement en imposant un écoulement de Poiseuille dans les capillaires. Cinq débits différents ont été utilisés pour ces expériences. L'analyse des trajectoires, de densité de présence et des vitesses des CR en fonction de la vitesse et du cisaillement lié à l'écoulement montre que les algues sont de plus en plus concentrées vers le centre du capillaire à mesure que la vitesse de l'écoulement augmente, même si leur présence dans les coins reste significative. De plus, les orientations des individus dans l'écoulement jouent un rôle clé dans la compréhension des phénomènes en milieu poreux. En effet, pour les écoulements les plus faibles, les CR semblent nager contre l'écoulement tandis que la tendance s'inverse lorsque la vitesse du fluide augmente. Par ailleurs, nous observons que lors des rebonds des CR contre les parois, les angles d'incidence sont de plus en plus rasants à mesure que la vitesse du fluide augmente. Ainsi, l'ensemble des résultats expérimentaux apportés par ce travail de thèse met en évidence la complexité des régimes de transport dans un micro-canal soumis à un écoulement de Poiseuille, et éclaire le mécanisme de rétention des microalgues Chlamydomonas reinhardtii dans une mousse drainante, qui est compatible avec le régime à faible vitesse d'écoulement décrit dans un capillaire unique.