Dipolar particles under external fields - Université de Lorraine Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Dipolar particles under external fields

Particules dipolaires sous champs extérieurs

Résumé

This theoretical thesis work aims to understand the influence of external stimulus (magnetic field, gravity, confinement) as well as thermal effects on the self-assembly of magnetic dipolar particles. The fundamental interest of dipolar particles relies on the anisotropic and long range character of dipole-dipole interactions. Dipolar particles can be found on different length scales (molecular, colloidal or granular). Our models concern dipolar hard spheres, a reference system in condensed matter physics. A first goal is to predict the structure behaviors of the ground states of an assembly of N magnetic beads as the function of applied external fields. The manuscript starts with a bibliographic chapter gathering a brief background of the properties of magnetic particle systems and efficient optimization methods developed to achieve the first goal of the thesis. Afterward, we address a two-body problem where two magnetic particles are exposed to gravity and external magnetic fields near a substrate. There, the orientations of the magnetic moments are explored too. The dimerization conditions are predicted through a richphase diagram. A new dimeric phase is found where the dimer partially in contact with the substrate, forms a finite angle with the normal of the latter. The hindered dimerization regime seen at high gravity and magnetic fields can be generalized to the case where two polymer chains remain separate. Furthermore, it is shown that the fragmentation at high magnetic field of a single standing chain due to the gravity gives rise to many shorter chains that can be separate (or not). A monolayer appears as the final state of fragmentation of these columnar clusters at very large gravity. A second research axis is dedicated to the study of the influence of thermal fluctuations on the aggregation of confined particles by theory and simulations. It is shown that thermal fluctuations are crucial to drive ribbonizaton. The role of longitudinal confinement is decisive there too. The effect of chain length on the stability of the formed ribbons is discussed. Anew aggregation (ribbonization) mechanism is highlighted. This mechanism relies on quadrupolar effective inter-chain interactions stemming from correlated fluctuating curvatures.
Ce travail de thèse théorique vise à comprendre l'influence des stimuli externes (champ magnétique, gravité, confinement) ainsi que des effets thermiques sur l'auto-assemblage d'un ensemble de particules dipolaires magnétiques. L'intérêt fondamental des particules dipolaires réside sur le caractère anisotropique et de longue portée des interactions dipôle-dipôle. Différentes échelles de grandeur caractérisent ces systèmes (moléculaire, colloïdale et granulaire). Nos modèles concernent des sphères dures dipolaires, systèmes de référence en physique de la matière condensée. Un premier objectif vise à prédire les comportements de structures des état fondamentaux de l'assemblé de N billes magnétiques en fonction des champs extérieurs appliqués. Le manuscrit débute avec un chapitre bibliographique rassemblant une brève littérature sur les propriétés de systèmes de particules magnétiques et les méthodes numériques développées afin d'atteindre le premier objectif de thèse. Après cela, nous abordons un modèle à deux corps où deux particules magnétiques sont exposées aux champs gravitationnel et magnétique au voisinage d'un substrat. Dans ce modèle, les orientations des moments magnétiques des états fondamentaux sont aussi explorées. Les conditions de dimérisation sont prédites à travers un riche diagramme de phases. Une nouvelle phase dimérique est trouvée où le dimère partiellement en contact avec le substrat forme un angle fini avec la normale de celui-ci. Un régime interdit correspondant aux forts champs gravitationnel et magnétique se généralise au cas à N corps où deux chaînes de polymères restent séparer. Par ailleurs, il est montré que la fragmentation à champ magnétique fort d'une chaîne verticale formée sur le substrat induite par la gravité donne lieu à des plus petites chaînes qui peuvent être séparées ou non. Une mono couche apparaît comme le dernier état de fragmentation de ces structures colonnaires à très forte gravité. Un second axe de recherche est consacré à l'étude de l'influence des fluctuations thermiques sur l'agrégation des particules confinées grâce à la théorie et des simulations. Nous montrons que les fluctuations thermiques sont cruciales pour la formation du ruban. Le rôle du confinement longitudinal y est aussi décisive. L'effet de la longue de chaîne sur la stabilité des rubans formés est discuté. Un nouveau mécanisme d'agrégation (rubanisation) est mis en avant. Ce mécanisme est basé sur des interactions effectives interchain d'ordre quadrupolaire induites par des fluctuations des courbures corrélées.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-03887327 , version 1 (06-12-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03887327 , version 1

Accès intranet

Citer

Ebenezer Kemgang. Dipolar particles under external fields. Physics [physics]. Université de Lorraine, 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0099⟩. ⟨tel-03887327⟩
17 Consultations
0 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More