In this Letter, we explore experimentally the phase behavior of a dense active suspension of self-propelled colloids. In addition to a solidlike and gaslike phase observed for high and low densities, a novel cluster phase is reported at intermediate densities. This takes the form of a stationary assembly of dense aggregates\char22{}resulting from a permanent dynamical merging and separation of active colloids\char22{}whose average size grows with activity as a linear function of the self-propelling velocity. While different possible scenarios can be considered to account for these observations\char22{}such as a generic velocity weakening instability recently put forward\char22{}we show that the experimental results are reproduced mathematically by a chemotactic aggregation mechanism, originally introduced to account for bacterial aggregation and accounting here for diffusiophoretic chemical interaction between colloidal swimmers.

Active colloids constitute a novel class of materials composed of colloidal-scale particles locally converting chemical energy into motility, mimicking micro-organisms. Evolving far from equilibrium, these systems display structural organizations and dynamical properties distinct from thermalized colloidal assemblies. Harvesting the potential of this new class of systems requires the development of a conceptual framework to describe these intrinsically nonequilibrium systems. We use sedimentation experiments to probe the nonequilibrium equation of state of a bidimensional assembly of active Janus microspheres and conduct computer simulations of a model of self-propelled hard disks. Self-propulsion profoundly affects the equation of state, but these changes can be rationalized using equilibrium concepts. We show that active colloids behave, in the dilute limit, as an ideal gas with an activity-dependent effective temperature. At finite density, increasing the activity is similar to increasing adhesion between equilibrium particles. We quantify this effective adhesion and obtain a unique scaling law relating activity and effective adhesion in both experiments and simulations. Our results provide a new and efficient way to understand the emergence of novel phases of matter in active colloidal suspensions.

Comportements collectifs de colloïdes autopropulsés: Nous étudions le comportement collectif d'une assemblée de colloïdes Janus, des sphères d'or de 1µm dont une moitié est recouverte de platine. Lorsqu'ils sont immergés dans une solution d'eau oxygénée, ils se déplacent à des vitesses de l'ordre de 5µm/s, contrôlable par la concentration en peroxyde. Individuellement, ces colloïdes suivent une marche aléatoire persistante ; Ils interagissent par effets phorétiques, formant des clusters dynamiques de quelques dizaines de colloïdes. Ces clusters, mobiles, échangent continuellement des colloïdes, se divisent et se fusionnent, formant une phase stationnaire. Nous avons développés ces colloïdes, ainsi qu'un système d'acquisition pour détecter et reconstituer les trajectoires des colloïdes. La taille moyenne des clusters augmente linéairement avec l'activité, définie comme la vitesse moyenne des colloïdes en dehors des clusters. La fonction densité de probabilité de la taille des clusters est une loi de puissance d'exposant -2. Nous quantifions les vitesses de translation et de rotation des clusters. Pour réaliser une étude thermodynamique, nous réalisons des expériences de sédimentation. Une transition est observée, entre une phase peu dense, un gaz parfait, dans lequel on mesure une température effective, et une phase dense à la dynamique hétérogène. L'équation d'état du système est mesurée, et une forme analytique heuristique est proposée