Rectification and characterization of dense and highly confined suspensions of micro-swimmers

Abstract

Las suspensiones densas de micronadadores muestran comportamientos complejos. Un ejemplo de micronadadores son las bacterias flageladas, las cuales generan un flujo en el medio circundante. Este flujo es capaz de mover objetos situados dentro o fuera de la suspensión, y bajo un confinamiento esférico, la suspensión es capaz de propulsarse a sí misma.

En esta tesis se realizaron experimentos exploratorios de los flujos y movimientos inducidos por suspensiones de alta densidad de bacterias en tres configuraciones. La motivación es caracterizar el movimiento generado por un baño de bacterias y extraer trabajo útil de él. Dos tipos de confinamientos fueron estudiados, un confinamiento plano cuasi-bidimensional llamado alfombras activas, y un confinamiento esférico llamado gotas activas. Dependiendo de la configuración, las gotas activas son capaces de auto-propulsarse, en cuyo caso las llamamos motores bacterianos traslacionales (TBM por su sigla en inglés).

La primera parte de esta tesis se enfoca en alfombras activas de bacterias \textit{Escherichia coli}. Primero, se explica un nuevo método para generar este tipo de sistemas. Luego estudiamos la propulsión de partículas pasivas situadas sobre las carpetas activas, generada por las bacterias que se encuentran en la carpeta activa. Se obtuvo el desplazamiento cuadrático medio (MSD por su sigla en inglés) para las partículas pasivas, mostrando un régimen balístico a tiempos cortos, y uno difusivo a tiempos largos. Usando un modelo teórico para ajustar las curvas de MSD hemos caracterizado la velocidad de persistencia v y el tiempo de persistencia τ en el régimen balístico, y el coeficiente de difusión D para el régimen difusivo, todos como función del tamaño de la partícula. Hemos observado que v y D crecen con el tamaño de la partícula, mientras que τ no tiene una dependencia clara con el tamaño de la partícula.

La segunda parte es sobre las gotas activas. Se estudió el flujo generado dentro de las gotas de E. coli y Bacillus subtilis usando la técnica de descomposición ortogonal propia. Se muestra que en ambos casos la geometría juega un rol importante en los patrones de flujo debido a la existencia de modos de borde. Mas aún, se observó que la actividad de las B. subtilis tiende a concentrarse en los bordes de las gotas, a diferencia de las E. coli. Esto podría deberse a la diferente geometría de los cuerpos de ambas especies de bacterias.

La última parte es sobre TBMs. Estudiando su MSD hemos observado nuevamente un régimen balístico a tiempos cortos y uno difusivo a tiempos largos. Obtuvimos la velocidad de persistencia y el tiempo característico para el régimen balístico y el coeficiente de difusión a tiempos largos como función del tamaño del TBM. Además, intentamos la rectificación de TBMs usando dos micro-dispositivos de fabricación propia. Los protocolos de fabricación de cada micro-dispositivo y su efectividad en la rectificación han sido reportados.

Dense suspensions of micro-swimmers show exotic behaviors. Micro-swimmers, such as flagellated bacteria, generate flows within the surrounding medium, which generate movement on objects located inside or outside the suspension. When the suspension is confined inside drops immersed in oil, the flows generated by the micro-swimmers can propel the whole drop.

In this thesis, an experimental exploratory study of the flows and movements induced by high-density suspensions of bacteria in different confined configurations was carried out. The motivation of these studies is to characterize the motion generated by a dense bath of swimming bacteria and extract useful work from it. Two confinements were studied in this thesis, a flat quasi-two-dimensional confinement called active carpet, and a spherical confinement called active droplets. Depending on the configuration, the active droplets are capable of self-propulsion, in which case we call them translational bacterial motors (TBM).

The first part of this thesis focuses on the results obtained for active carpets of Escherichia coli. First, a new way to generate this type of systems is explained. Then, we study the propulsion of passive particles laying on top of the active carpets, by the micro-swimmers in the active carpet. The mean square displacement (MSD) of the passive particles was measured, showing a ballistic regime at short times and a diffusive one at long times. Using a theoretical model to fit the MSD curves, we characterize the persistence velocity v and persistence time τ for the ballistic regime and the diffusion coefficient D at long times as a function of particle size. We observed that v and D increase with particle size, while τ has no clear dependence on particle size.

The second part is about active droplets. The flow generated inside active droplets formed by E. coli and Bacillus subtilis was studied using the proper orthogonal decomposition technique. This study shows that in both cases the geometry plays an important role in the flow pattern due to the existence of edge modes. Furthermore, it was observed that the activity of B. subtilis tends to be concentrated at the edges of the drops, while that of E. coli droplets is homogeneous. This could be due to the different geometry of the two bacterial strains, with B. subtilis having a larger body size with respect to its width than E. coli.

The last part is about TBMs. By studying their MSD, we observed again a ballistic regime at short times and a diffusive one at long times. We obtained the persistence velocity and the time scale for the ballistic regime and the diffusion coefficient at long times as a function of the TBM size. In addition, we have attempted the rectification of TBMs using two micro-devices of our own fabrication. The fabrication protocols of each micro-device and their effectiveness in rectification are presented in detail.