Et si les particules ne ralentissent pas dans une foule, mais se déplacent plus vite? Les physiciens de Leiden ont travaillé ensemble et ont découvert un nouvel état de matière, où les particules transmettent l'énergie par des collisions et créent plus de mouvement lorsqu'elles sont emballées étroitement.
Nous connaissons tous des foules de personnes ou des voitures dans un embouteillage – quand il devient trop encombré, tout ce que vous pouvez faire est de rester immobile. Jusqu'à présent, les scientifiques ont principalement étudié les cas de grands groupes comme celui-ci, ce qui ralentit lorsqu'ils se rapprochent trop l'un de l'autre.
Mais que se passe-t-il si l'inverse se produit? Et si les particules pouvaient commencer à se déplacer davantage lorsqu'elles sont emballées ensemble? Cette question n'avait pas été beaucoup étudiée – jusqu'à maintenant. Les physiciens Marine Le Blay, Joshua Saldi et Alexandre Morin de l'Université de Leiden font des recherches dans le domaine de la physique des matières actives – ils observent et analysent les comportements collectifs qui émergent lorsque de grands groupes de particules sont emballés ensemble.
L'œuvre est publiée dans la revue Physique de la nature.
Perles et électrodes métalliques
Dans leurs expériences, Morin, Le Blay et Saldi ont travaillé avec de minuscules particules sans mouvement: des billes métalliques d'un millimètre, placées entre deux plaques de verre. « Ces deux plaques tenant les perles ne sont pas seulement des plaques de verre simples; ce sont aussi des électrodes. Nos perles ne peuvent pas se déplacer d'elles-mêmes, mais lorsque nous les chargeons d'électricité, ils commencent à sauter de haut en bas. Ils voyagent entre les deux plaques de verre extrêmement rapidement, expliquent environ 100 fois en 1 seconde. De cette façon, nous donnons de l'énergie à notre système de perles », explique Saldi. Le très département mécanique de la faculté des sciences les a aidés à créer cette configuration de laboratoire créative.
Morin ajoute: « Pendant que les perles se déplacent, nous prenons 300 à 400 images par seconde avec notre appareil photo à grande vitesse. Nous faisons ensuite des vidéos au ralenti de ces images à découvrir en détail ce qui se passe. Nous relions chaque particule d'une image à la suivante et faisons des statistiques précises des mouvements observés. Un après-midi d'expérimentation peut remplir un travail dur.
Se déplacer en groupe
Avec seulement quelques perles dans l'expérience, les perles restent en place – rien de surprenant encore. Lorsque les chercheurs ont augmenté le nombre de perles à des centaines et des milliers, quelque chose de très surprenant s'est produit: les perles ont commencé à se déplacer sauvagement. Ils ont formé un système très dynamique et désordonné, que nous appelons un état de matière «gaz actif».
Comment est-ce possible? Les chercheurs ont regardé et analysé les modèles de mouvement et ont découvert que les particules se heurtent de manière très spéciale. Leurs collisions sont super élastiques. Au lieu de perdre de l'énergie comme une balle rebondissante finalement se reposer, ils se transmettent de l'énergie pendant ces bosses, ce qui déclenche plus de mouvement. Ainsi, plus il y a de particules, plus il y a de collisions – et plus l'ensemble du système devient actif.
Contrôler les modèles de mouvement
« Une fois que nous avons compris comment ces particules emballées montent en puissance, nous avons réalisé que nous pouvions même contrôler le comportement collectif des billes métalliques », explique Morin. « Pour ce faire, au lieu d'alimenter les particules en continu, nous les avons alimentés par intermittence en basculant le champ électrique sur et désactivé. Nous avons observé que plus la commutation est rapide, plus les mouvements sont lents. Mais plus important encore, la structure du groupe a également changé.
« Dans l'ensemble, nous pourrions obtenir des structures analogues aux trois états bien connus de la matière: le gaz, le liquide et le cristal – en tournant simplement un bouton sur notre générateur de puissance. »
Pourquoi cette découverte est importante
Morin dit: « Il s'agit d'une découverte importante, car elle révèle qu'il existe encore de nombreuses façons inconnues dont les particules peuvent s'organiser. » Cela ouvre la porte à de nouveaux types de comportements dans les systèmes de particules, avec des applications possibles dans la technologie, la biologie et la science des matériaux.
Même si la recherche est encore à un stade précoce, Morin pense que cette découverte pourrait aider à créer de nouveaux matériaux intelligents à l'avenir. Les êtres vivants peuvent faire beaucoup de choses – comme se souvenir, la culture, la guérison et le traitement des informations – que les matériaux normaux comme le tissu ou l'acier ne peuvent pas faire. Cette recherche montre à quel point les matériaux actifs simples peuvent modifier leur forme et leurs modèles par eux-mêmes. Un pas vers des matériaux artificiels mieux conçus et plus avancés.
