Si vous avez déjà regardé un troupeau d'oiseaux se déplacer en unison parfait ou des ondulations vues se déplacer à travers un étang, vous avez été témoin de la remarquable capacité de la nature à coordonner le mouvement. Récemment, une équipe de scientifiques et d'ingénieurs de l'Université Rice a découvert un phénomène similaire à l'échelle microscopique, où de minuscules particules magnétiques entraînées par des champs rotatifs se déplacent spontanément le long des bords des grappes entraînées par des « courants de bord » invisibles qui suivent les règles d'une branche inattendue de physique.
La recherche est publiée dans la revue Recherche d'examen physique.
« Quand j'ai vu les données initiales – avec des flux de particules se déplaçant plus rapidement le long des bords qu'au milieu – j'ai dit » ce sont des flux de bord « et nous avons pu travailler à l'exploration », a déclaré l'auteur correspondant Evelyn Tang, professeur adjoint de physique et d'astronomie. « Ce qui est très excitant, c'est que nous pouvons expliquer leur émergence en utilisant des idées de la physique topologique, un domaine qui est devenu important en raison des ordinateurs quantiques et des matériaux exotiques. »
Dans leurs expériences, l'équipe a suspendu les colloïdes superparamagnétiques – pensez à de minuscules perles magnétiques environ cent fois plus petites qu'un grain de sable – dans l'eau salée. Ils ont ensuite appliqué un champ magnétique rotatif, ce qui a fait former les particules de formes de différentes formes: parfois ils formaient des grappes circulaires denses, et d'autres fois, ils s'étalaient dans des feuilles avec des trous vides ou des «vides».
L'expérience est devenue particulièrement intéressante lorsque les particules le long des bords externes de ces formes ont commencé à se déplacer plus rapidement que les autres, formant une sorte de tapis roulant autour de la bordure.
« Nous appelons ce flux de bord », a déclaré la co-prime auteur Aleksandra Nelson, ancien boursier postdoctoral dans le laboratoire de Tang. « C'est essentiellement un courant qui se forme naturellement autour de la frontière sans que personne ne le pousse. »
Pour comprendre pourquoi cela s'est produit, les chercheurs se sont tournés vers quelque chose appelé physique topologique, qui est un moyen de décrire les systèmes où le mouvement ou le comportement est contrôlé par la forme ou la disposition globale plutôt que par les détails exacts.
« La topologie est comme les signes de l'autoroute qui détermine le flux de trafic », a déclaré le co-auteur Sibani Lisa Biswal, professeur de William M. McCardell en génie chimique. « Même s'il y a de la construction ou des nids-de-poule, le trafic circule toujours de la même manière parce que l'itinéraire est défini par la forme du système. C'est ce qu'est la topologie – Rules qui tiennent même dans des conditions désordonnées ou bruyantes. »
Dans ce cas, les «règles» prédisaient que les particules magnétiques rotatives généreraient un mouvement le long des bords de la forme qu'ils se formaient – qu'il s'agissait d'un cluster ou d'un vide. Et c'est exactement ce que l'équipe a observé au microscope.
Fait intéressant, le type de mouvement dépendait de la forme. Lorsque les particules ont formé des grappes flottantes, le flux de bord a fait tourner l'ensemble de la grappe comme une petite roue. Mais lorsque les particules ont formé des feuilles plus grandes avec des vides, les bords avaient toujours un mouvement, mais la structure globale ne tournait pas.
Tang a expliqué que ce phénomène s'est produit parce qu'en grappes, les particules étaient libres de se tourner comme des danseurs en cercle. Mais dans les feuilles avec vides, le matériau environnant les maintenait en place, de sorte que le mouvement de bord devait se propager vers l'intérieur au lieu de rotation. Cette différence a également changé à quelle vitesse tout le système s'est réorganisé. Les clusters pourraient changer de forme et fusionner en quelques minutes, tandis que les feuilles avec vides ont pris beaucoup plus de temps.
La capacité de contrôler comment les particules se déplacent et s'organiser peuvent ressembler à une découverte de niche, mais elle a de larges implications. Comprendre comment diriger le mouvement dans des systèmes dynamiques surpeuplés pourrait éclairer la conception de matériaux réactifs tels que la livraison de médicaments ciblés, les surfaces adaptatives ou les essaims de microbots.
« Nous apprenons à contrôler le comportement collectif en utilisant des principes physiques simples », a déclaré la co-prime auteur Dana Lobmeyer, diplômée récente du laboratoire de Biswal. « Il s'agit d'une étape vers la création de matériaux qui peuvent détecter leur environnement et répondre intelligemment sans avoir besoin d'un ordinateur ou d'instructions. »
Bien que les expériences aient utilisé des particules synthétiques, l'équipe voit également des parallèles en biologie. De nombreux grappes cellulaires tournent pendant le développement ou la guérison, ce qui augmente la possibilité que des principes physiques similaires soient à l'œuvre à l'intérieur des organismes vivants.
« C'est la beauté de la science », a déclaré Tang. « Nous prenons un concept de mathématiques fondamentales et de physique statistique pour l'appliquer à des matériaux de tous les jours. C'est un rappel que les mêmes règles élégantes peuvent apparaître dans le laboratoire d'à côté. »
