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Importance of many-body correlations in glass transition: An example from polydisperse hard spheres
No full textMost of the liquid-state theories, including glass-transition theories, are constructed on the basis of two-body density correlations. However, we have recently shown that many-body correlations, in particular, bond orientational correlations, play a key role in both the glass transition and the crystallization transition. Here we show, with numerical simulations of supercooled polydisperse hard spheres systems, that the length-scale associated with any two-point spatial correlation function does not increase toward the glass transition. A growing length-scale is instead revealed by considering many-body correlation functions, such as correlators of orientational order, which follows the length-scale of the dynamic heterogeneities. Despite the growing of crystal-like bond orientational order, we reveal that the stability against crystallization with increasing polydispersity is due to an increasing population of icosahedral arrangements of particles. Our results suggest that, for this type of systems, many-body correlations are a manifestation of the link between the vitrification and the crystallization phenomena. Whether a system is vitrified or crystallized can be controlled by the degree of frustration against crystallization, polydispersity in this case. (C) 2013 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4769981
Micromechanics of gel rupture
No full textLa physique de la fracture est omniprésente dans notre vie quotidienne, qu'il s'agisse de la facilité avec laquelle on peut ouvrir un œuf une fois fêlé ou de la lente agonie d'un câble de chargeur. Il y a exactement un siècle, A. A. Griffith a lié la taille du défaut critique dans un matériau fragile à la contrainte critique requise pour la rupture. La présence de défauts microscopiques explique pourquoi un matériau “intact" rompt à des contraintes inférieures de plusieurs ordres de grandeur à la contrainte prédite par la rupture des liaisons atomiques. Malgré les progrès réalisés dans le domaine de la mécanique de la rupture depuis Griffith, nous n'avons toujours pas une compréhension complète de pourquoi, quand et où la rupture se produira. C’est dû au caractère multi-échelle de la rupture. La fracture du bois massif en est un exemple : des molécules, aux cellules, à l'anneau de croissance jusqu’à la branche. Il est essentiel de comprendre la connexion entre ces différentes échelles pour appréhender leur réponse spatio-temporelle complexe et non linéaire. Ainsi, zoomer à l'échelle du précurseur ou de l'unité structurelle du matériau d'où provient la fracture conduit à des modèles fiables pour une meilleure ingénierie de chaque matériau. Dans les cristaux, le précurseur structurel est une compétition entre mouvement des dislocations et plasticité dans les joints de grain. Ce modèle ne s’applique pas dans les systèmes amorphes. De plus, les solides structurellement hétérogène apportent encore un autre niveau de difficulté dans l'identification des précurseurs. Dans ma thèse, j'ai étudié la rupture des gels, qui sont des solides constitués de deux phases entrelacées : un réseau solide et un milieu liquide. Dans les gels, le couplage complexe de la viscoélasticité et de la plasticité rend difficile la compréhension des raisons de la rupture, car la plupart des modèles théoriques sont basés sur la compréhension de systèmes élasto-plastiques. L'importance des gels, de la consistance du yaourt à l'utilisation des gels comme matériau biomimétique, nécessite de mieux comprendre leurs précurseurs de fracture. Dans ce travail, nous essayons de trouver les précurseurs de fracture dans les gels en combinant rhéologie et observation 3D par microscopie confocale. Nous devons donc utiliser un gel de microstructure plus grande que la résolution optique, ce qui implique un matériau très mou et donc des contraintes faibles qui sont difficiles à appliquer de manière contrôlée. Ainsi, nous avons développé un dispositif basé sur un cantilever permettant d’étudier la réponse rhéologique de solides très mous sous contrainte ou déformation constante. Sa sensibilité de 6 mPa en contrainte permet de contrôler précisément la contrainte ou la déformation dans les directions normale et de cisaillement. Le système de gel avec lequel nous travaillons est le caséinate de sodium, un gel de protéines dont la microstructure est de l'ordre de 10 µm. Nous décrivons la physico-chimie, le transport de masse et la rhéologie de notre système afin de développer une technique rapide de gélification in-situ. Ensuite, nous réalisons des expériences de déformation et de contrainte contrôlées avec ce système jusqu'à la rupture. Dans le cas de marches de déformation incrémentale, la visualisation microscopique directe combinée à la corrélation d’images 2D détecte l'existence d'une couche de cisaillement maximale comme étant le précurseur de la rupture. En fluage, la vue stroboscopique 3D permet d'observer des ruptures de brins éparses. Nous développons une analyse basée sur l'estimation des petits déplacements pour détecter ces événements et observer leur profil spatio-temporel. Nous observons que les ruptures de brin se produisent bien avant la rupture catastrophique, et nous sommes capables de détecter leur nucléation qui conduit à la rupture. La composante principale du cisaillement présente des corrélations de type Eshelby, c’est-à-dire un couplage élastique.Fracture is an important phenomena in our day to day life, from the ease of cracking open an egg after inducing a small flaw on the surface, to the mind nerving slow breaking of the charger cable. Exactly a century ago, A. A. Griffith expressed a criteria that relates the size of the critical defect in a brittle material to the critical stress required for fracture. The presence of microscopic flaws explains why the stress required to break an 'intact' material is orders of magnitude lower than the theoretical stress predicted from breaking the atomic bonds. Despite significant progress in the field of fracture mechanics since Griffith, we still do not have a complete understanding of the why, when or where the failure will happen. This is because failure is a multi-scale phenomena: An example of this is the fracture of solid wood: from molecular to cellular scale to growth ring scale and finally the breaking of a branch. Understanding of the connection between these different scales is crucial to comprehend their complex, nonlinear and spatio-temporal response. Thus going down in scale to the precursor or the structural unit within the material where the failure originates can lead to development of reliable models for better engineering of these materials. In crystalline systems, the structural precursor is a competition between motion of dislocation and grain boundary mediated plasticity. This model is not valid in amorphous systems. Furthermore, solids that have an heterogeneous structure bring yet another level of difficulty in pinpointing the precursor events. In my thesis, I studied the fracture of gels, solids that are made of two intertwined phases: a solid network and a liquid medium. In gels, the complex coupling of viscoelasticity and plasticity makes it difficult to understand the driving force behind fracture as most of the theoretical models are based on understanding of elasto-plastic systems. The importance of gels in our daily experience, from the 'mouth-feel' of yogurt to the usage of gel as biomimetic material, requires the advancement in understanding their fracture precursors. In this work we try to find fracture precursors in gel by combining shear rheology to 3D confocal microscopic observation. This means we have to use a gel system which has microstructure large enough to be observable with optical resolution. Larger microstructure implies softer materials and thus low stresses that are difficult to apply reliably. Thus the first part of this thesis consists in developing a cantilever based setup for shear rheology of very soft solids under constant stress or strain. This setup has a sensitivity of 6 mPa in stress measurement and can reliably apply strain or stress control in both shear and normal directions. The gel system we work with is sodium caseinate, a protein gel with a microstructural length scale of order 10 µm. We describe the physical chemistry, mass transport and rheological characterization of our system to develop a fast in-situ gelation technique. In the next part, we perform controlled strain and stress experiments with this system until failure. In the case of incremental control strain steps, direct microscopic visualization combined with 2D phase correlation describes the existence of a soft layer near the maximum shear zone to be the precursor to fracture. For the long duration creep experiment, the 3D stroboscopic view observes visuals of the strand breaking events which are spatially scattered. We develop analysis based on estimation of small displacement to detect these events to observe their spatio-temporal profile. We observe that strand breaking events occur way before the catastrophic failure, and we are able to detect their nucleation which leads to failure. The spatial correlation of the principle shear component leads us to discover the elastic coupling of eshelby nature i.e. the existence of a shear transformation zone as inclusion within a large elastic medium
Analysis of Mathieu Equation Stable Solutions in the First Zone of Stability
No full textAbstractThe paper presents the results of a homogeneous Mathieu equation studies. Mathieu equation solutions are oscillations, modulated in amplitude and frequency. In the computational experiments we found dependences of the given oscillations on the ratio of the coefficients. These dependences are shown in graphs that can be used for an approximate estimation of the Mathieu equation solutions without integration
Pensar las escalas para pensar las luchas: Autor: Mathieu UHEL
No full textA través de un título sugerente, “pensar las escalas para pensar las luchas”, Mathieu Uhel entreteje la construcción teórico-crítica del concepto escala, generada por la geografía radical anglosajona de finales del siglo XX, con la necesidad/utilidad práctica de la escala para concienciar las luchas sociales. El artículo cumple un doble propósito: por un lado, delinear los elementos de lectura sobre el concepto escala; y, con ello, promover la atención de esta problemática en las luchas contemporáneas. En un primer apartado, Uhel ubica las discusiones académicas en torno a la escala, como herramienta metodológica útil para comprender la complejidad de las sociedades capitalistas; en el segundo apartado, el autor avanza la exposición en torno al contexto de la dimensión escalar del imperialismo capitalista; finalmente, el autor se centra en el rol de la actividad política a escala nacional en la tensa relación entre las imposiciones del capital y la lucha social.Por meio de um título sugestivo, “pensando escalas para pensar lutas”, Mathieu Uhel entrelaça a construção teórico-crítica do conceito de escala, gerado pela geografia radical anglo-saxônica do final do século XX, com a necessidade / utilidade prática escala para aumentar a consciência das lutas sociais. O artigo tem um duplo propósito: por um lado, delinear os elementos de leitura sobre o conceito de escala; e, com isso, promover atenção a esse problema nas lutas contemporâneas. Na primeira seção, Uhel localiza as discussões acadêmicas em torno da escala, como uma ferramenta metodológica útil para compreender a complexidade das sociedades capitalistas; na segunda seção, o autor avança a exposição em torno do contexto da dimensão escalar do imperialismo capitalista; por fim, o autor enfoca o papel da atividade política em escala nacional na tensa relação entre as imposições do capital e a luta social.Mathieu Uhel\u27s suggestive title, “Thinking about scales to think about struggles”, he interweaves the theoretical-critical construction of concept scale, generated by radical Anglo-Saxon geography in the late 20th century, with it´s practical utility to social struggles. The article serves two purposes: on the one hand, Uhel locates academic discussion around scale; and, with this, he promotes attention to this problem in contemporary struggles. In the first section, Uhel locates academic discussions around scale, as a useful methodological tool to understand the complexity of capitalist societies; in the second section, the author advances the argument around the context of the scalar dimension of capitalist imperialism; finally, the author focuses on the role of political activity on a national scale in the tense relationship between the impositions of capital and the social movement
Study of Dense Assemblies of Active Colloids : collective Behavior and Rheological Properties
No full textAu cours des dernières décennies, la matière active est passée de la fascination pour des mouvements collectifs animaux à des expériences bien maîtrisées en laboratoire. Des systèmes actifs abiotiques ont été utilisés comme modèle pour développer de nouvelles connaissances en physique hors équilibre. Ces études ont été principalement réalisées dans des systèmes plutôt dilués. Cependant, l'étude du régime dense reste à faire, en particulier expérimentalement. Ceci conduit à l'objectif principal de cette étude: réaliser une étude expérimentale des systèmes actifs à haute densité et relier ces observations à la physique des verres. Par ailleurs, nous considérons un tel système comme un nouveau type de matériau actif que nous étudions par microrhéologie. Dans un cas comme dans l'autre, la question principale est d'examiner l'influence de l'activité sur un système déjà hors équilibre quand il est passif.Notre système expérimental est une monocouche de colloïdes Janus or-platine, qui s'autopropulsent en présence de peroxyde d'hydrogène (H2O2). La monocouche est légèrement inclinée ce qui provoque un gradient de densité dans le plan. Nous caractérisons le niveau d'activité à partir de la longueur de sédimentation et définissons une température effective, qui augmente de façon monotone avec la concentration de H2O2. Grâce à cette configuration, nous pouvons étudier toute la gamme de densité : dilué, liquide surfondu ergodique, verre non ergodique. Nous constatons que la physique des verres décrit bien le régime surfondu même actif à condition que la température soit remplacée par la température effective. Cependant, au-delà de la transition vitreuse, nous observons une réponse non monotone de la relaxation à l'activité. La relaxation ralentit spectaculairement lorsque les particules deviennent faiblement autopropulsées ; mais accélère à des niveaux d'activité suffisamment élevés. En analysant la corrélation des orientations de déplacement, nous proposons que le mouvement dirigé rend l'exploration de la cage moins efficace et ralentit ainsi la relaxation coopérative par rapport à un verre passif. Nous nommons ce phénomène «Deadlock from the Emergence of Active Directionality (DEAD)». Afin de réaliser une étude microrhéologique, nous appliquons deux types de stimulus mécanique sur une particule sonde immergée dans le sédiment. Le premier est une oscillation de faible amplitude contrôlée par des pinces optiques. Le module de cisaillement complexe résultant nous apprend que l'activité rend le matériau plus élastique. Cependant, une interaction dépendant de l'activité entre le piège optique et les colloïdes nous fait questionner ce résultat. Nous passons donc à un stimulus gravitationnel pour tirer la sonde à travers le sédiment. D'abord, nous constatons qu'un flux de colloïdes pousse la sonde vers l'avant et que ce flux est moins important dans un sédiment actif. Cela peut être expliqué par les différences de longueur de sédimentation et il en résulte une différence marquée dans le mouvement de la sonde. Nous constatons ensuite que l'advection des colloïdes autour de la sonde correspond quantitativement à un écoulement de Stokes. Cela ouvre la possibilité d'extraire une viscosité efficace. Comme nous avons besoin d'une configuration mieux contrôlée, nous développons un microrhéomètre magnétique pour de futures études.Nous commençons également une étude numérique à l'aide d'un modèle de particules browniennes actives. Contrairement à l'expérience, nous pouvons en simulation fixer avec précision la densité. Nous trouvons une séparation de phases induite par la motilité à des densités modérées et des forces de propulsion élevées. En dehors de cela, la simulation correspond bien à nos résultats expérimentaux jusqu'au régime surfondu. Nous pouvons ainsi étudier le régime vitreux où nous attendons le phénomène DEAD et obtenir une meilleure compréhension des système vitreux actifIn the last decades, active matter has stepped up from a fascination about mesmerizing animal collective movements to well-controlled experiments in the laboratory. Abiotic active systems have been used as a model to develop new knowledge in non-equilibrium physics and it has been done extensively in rather dilute systems. However, investigation in crowded conditions is still lacking especially in experiments. This leads to the key objective of this study: to perform an experimental investigation of active systems at high density and relate the observation to our knowledge in glassy physics. Besides, by considering such a system as a new kind of active material, we also aim to investigate it via microrheology. In both cases, the main question is to examine how activity influences a system whose passive counterpart is already out of equilibrium.Our experimental system is a monolayer of gold-platinum Janus colloids, which become self-propelled upon adding a solution of hydrogen peroxide (H2O2). The monolayer is slightly inclined to cause an in-plane density gradient. We characterize the activity level from the sedimentation length and define an effective temperature, which monotonically increases with H2O2 concentration. With this setup, we can investigate a full range of densities from dilute, to ergodic supercooled, to nonergodic glass regime. We find that standard glassy physics describes well the active supercooled regime provided the replacement of the temperature by the effective one. However, beyond the glass transition, we find that relaxation responds nonmonotonically to activity. We observe a dramatic slowdown of the relaxation when particles become weakly self-propelled; followed by faster relaxation at high enough activity level. By analyzing correlation of displacement orientations, we propose that directed motion makes cage exploration less efficient and thus slows down cooperative relaxation compared to a passive glass. We, therefore, name this phenomenon "Deadlock from the Emergence of Active Directionality (DEAD)”.To perform microrheology, we apply two types of actuation on a probe particle immersed in the sediment. The first actuation is a small amplitude oscillation controlled by optical tweezers. The resulting complex shear modulus gives us a hint that activity makes the sediment more elastic. However, activity-dependent interaction between the optical tweezers and the colloids makes us suspect the result. We thus switch to gravitational force to pull the probe through the sediment. We first find that there is a flux of colloids that pushes the probe forward, and that this flux is weaker in the active system. This can be understood by the sedimentation length and it results in a stark difference in the probe falling motion. Next, we find that the advection of the colloids around the probe quantitatively agree with a Stokes flow. This leads to a possibility to extract an effective viscosity. As we need a better-controlled setup, we develop a magnetic microrheometer for our future studies. We also started a numerical investigation using a model of active Brownian particles. Unlike in experiment, we can precisely fix the density in simulation. We found a motility induced phase separation at moderate densities and high propulsion forces. Apart from this, the simulation well agrees with our experimental result at least up to the supercooled regime. In this way, we can study the glassy regime where we expect the DEAD phenomenon and gain a better insight into the active glassy syste
コロイド過冷却液体における構造的不均一性と動的不均一性：共焦点顕微鏡による研究
No full textThe glass transition is often thought as decoupled from any structural change. I show in this thesis that two types of local order can be detected in a simple experimental glass former. This order increases when approaching the glass transition and is spatially correlated with the dynamic heterogeneities of the supercooled liquid.On envisage souvent la transition vitreuse comme découplée de tout changement structurel. Dans cette thèse, je montre que deux types d'ordre local peuvent être détectée dans un système vitreux expérimental simple. Cet ordre croit à l'approche de la transition vitreuse et est corrélé spatialement avec les hétérogénéités dynamiques du liquide surfondu
Mathieu Ichou, Les Enfants d’immigrés à l’école
No full textIt is common to hear in the fields of educational and immigration sociology that on average, the children of immigrants do not perform as well in school as children of native-born parents. Mathieu Ichou offers an innovative sociological analysis on a topic that is heavily exploited by political and media discourse, and subject to much scientific controversy. The author takes distance from the homogenized vision of a “second generation” of students who have totally failed academically, and rep..
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