Gouttes dynamiques photo-commutables : couplage entre structuration moléculaire, propriétés interfaciales et comportements émergents // Photoresponsive dynamic droplets: coupling between molecular structuring, interfacial properties, and emergent behavior

De nombreux systèmes naturels présentent des organisations transitoires, dynamiques et adaptatives, dont les fonctions restent encore partiellement comprises. Ces structures hors équilibre jouent pourtant un rôle essentiel dans des processus biologiques fondamentaux. Par exemple, les condensats biomoléculaires issus de séparations de phases liquide–liquide dans les cellules forment des compartiments dynamiques capables d'apparaître, de se transformer et de disparaître en réponse à des stimuli externes. Comprendre et reproduire de tels comportements constitue un enjeu majeur pour le développement de systèmes biomimétiques et de matière active. [1,2,3]

Dans ce contexte, les systèmes photo-commutables offrent une plateforme particulièrement pertinente, car ils permettent de contrôler à distance et de manière réversible les propriétés structurales et interfaciales de la matière grâce à la lumière. Cette thèse vise à exploiter ce caractère photo-commutable pour concevoir et étudier des gouttes dynamiques produites à l'aide de dispositifs microfluidiques, permettant un contrôle précis de leur taille, composition et environnement.

Deux systèmes modèles seront développés et étudiés.
- Le premier repose sur des gouttes de cristaux liquides dopées par des composés photo-commutables. Sous irradiation, ces dopants induisent des modifications de l'organisation interne des cristaux liquides, notamment du pas hélicoïdal et de la chiralité dans les phases cholestériques. Ces changements structuraux peuvent engendrer des réponses dynamiques à l'échelle de la goutte, telles que des mouvements dirigés ou des modifications de trajectoire. Ces systèmes pourront être explorés dans des paysages optiques structurés, où la lumière agit à la fois comme stimulus énergétique et comme guide spatial, ouvrant la voie à des comportements complexes de type micro-nageurs contrôlés [4].
- Le second système concerne des gouttes mimant des émulsions eau-dans-eau, stabilisées par des interfaces fonctionnalisées avec des molécules photo-commutables. Contrairement aux émulsions classiques, ces systèmes présentent une faible tension interfaciale et des propriétés proches des compartiments biologiques. L'irradiation lumineuse permettra de moduler les propriétés de l'interface, entraînant des phénomènes tels que la déstabilisation contrôlée des gouttes, leur dissolution ou encore la libération ciblée de leur contenu. Ce type de système constitue un modèle pertinent pour étudier des processus de compartimentation dynamique et de communication chimique.[5,6]

Dans les deux cas, l'objectif sera de comprendre comment les transformations photoinduites à l'échelle moléculaire se traduisent en modifications des propriétés globales des gouttes, qu'il s'agisse de leur organisation interne ou de leurs propriétés interfaciales. Ces variations pourront induire des comportements émergents tels que le mouvement autonome, les interactions et communications entre gouttes, voire leur disparition programmée.

Ce projet s'inscrit ainsi à l'interface entre physico-chimie de la matière molle, microfluidique et matière active. Il vise à établir des relations fondamentales entre propriétés moléculaires photo-commutables et comportements collectifs, tout en ouvrant des perspectives pour la conception de systèmes dynamiques inspirés du vivant, avec des applications potentielles en vectorisation, libération contrôlée et matériaux intelligents.
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Many natural systems exhibit transient, dynamic, and adaptive organization, whose roles remain only partially understood. These out-of-equilibrium structures are central to fundamental biological processes. For instance, biomolecular condensates formed via liquid–liquid phase separation in cells create dynamic compartments that can appear, evolve, and disappear in response to external stimuli. Understanding and reproducing such behaviors is a major challenge for the development of biomimetic systems and active matter [1,2,3].

In this context, photoswitchable systems provide a powerful platform, as they enable remote, reversible, and spatially controlled modulation of material properties using light. This thesis aims to exploit the photoswitchable character of molecular systems to design and investigate dynamic droplets produced using microfluidic devices, allowing precise control over their size, composition, and environment.

Two model systems will be developed and studied.
- The first system consists of liquid crystal droplets doped with photoswitchable molecules. Upon light irradiation, these dopants induce changes in the internal organization of the liquid crystals, particularly in the helical pitch and chirality of cholesteric phases. Such structural modifications can generate dynamic responses at the droplet scale, including self-propulsion or changes in trajectory. These systems will be investigated in structured optical landscapes, where light acts both as a stimulus source and as a spatial cue, enabling complex behaviors such as guided motion and light-responsive microswimming.[4]
- The second system focuses on droplets mimicking aqueous two-phase emulsions (water-in-water systems), stabilized by photosensitive interfaces. Unlike conventional emulsions, these systems exhibit low interfacial tension and properties similar to biological compartments. Light irradiation will allow modulation of interfacial properties, leading to phenomena such as controlled destabilization, droplet dissolution, or the triggered release of encapsulated contents. These systems provide a relevant model to study dynamic compartmentalization and chemical communication.[5-6]

In both cases, the objective is to understand how molecular-scale photoinduced transformations translate into macroscopic changes in droplet properties, whether in their internal organization or interfacial behavior. These changes are expected to give rise to emergent phenomena such as autonomous motion, interactions and communication between droplets, and even their programmed disappearance.

This project lies at the interface of soft matter physics, microfluidics, and active matter. It aims to establish fundamental relationships between molecular photoswitchable properties and collective behaviors, while opening new perspectives for the design of dynamic, life-inspired systems with potential applications in cargo delivery, controlled release, and smart materials.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Financement d'un établissement public Français

Université de Toulouse

482 SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse

Savoirs / connaissances • Bonnes connaissances en synthèse chimique • Connaissances en physico-chimie de la matière molle • Maîtrise de l'anglais (écrit et oral) Savoir-faire • Maîtrise des techniques d'analyse chimique (RMN, UV-VIS, analyse d'image, photochimie…) • Connaissance des techniques d'analyse d'image (image J, programmation Python...) Savoir-être • Rigueur scientifique et technique • Forte motivation et curiosité scientifique • Autonomie dans le travail et sens de l'initiative Compétences managériales • Capacité à travailler en équipe • Aptitude à contribuer et à animer un travail collaboratif
Knowledge and expertise • Strong knowledge of chemical synthesis • Knowledge of soft matter physical chemistry • Proficiency in English (written and spoken) Technical skills • Proficiency in chemical analysis techniques (NMR, UV-Vis spectroscopy, image analysis, photochemistry, etc.) • Knowledge of image analysis tools and methods (ImageJ, Python programming, etc.) Personal skills • Scientific rigor and strong technical discipline • High motivation and scientific curiosity • Autonomy and ability to take initiative Managerial and interpersonal skills • Ability to work effectively in a team • Capacity to contribute to and coordinate collaborative research activities