Les vibrations sont partout – du bourdonnement des machines au grondement des systèmes de transport. Habituellement, ces mouvements aléatoires sont gaspillés et dissipés sans produire de travail utilisable.
Récemment, les scientifiques ont été fascinés par les «systèmes de cliquet», qui sont des systèmes mécaniques qui rectifient les vibrations chaotiques en mouvement directionnel. En biologie, les moteurs moléculaires réalisent cet exploit dans les cellules vivantes pour stimuler les processus essentiels en convertissant les collisions moléculaires aléatoires en mouvements utiles. Cependant, à grande échelle, ces systèmes à cliquet se sont toujours appuyés sur une asymétrie intégrée, tels que des engrenages ou des surfaces inégales.
En allant au-delà de cette dépendance à l'égard de l'asymétrie, une équipe de chercheurs dirigée par Mme Miku Hatatani, un doctorat. L'étudiant à la Graduate School of Science and Engineering, ainsi que M. Junpei Oguni, ancien élève de la Graduate School of Science and Engineering, professeur Daigo Yamamoto et professeur Akihisa Shioi du Département de génie chimique et des sciences des matériaux à l'Université Doshisha, démontrent le premier moteur symétrique du monde symétrique du monde.
Publié dans Chaos l'étude décrit comment un simple disque circulaire, placé sur des particules vibrant au hasard, peut casser spontanément la symétrie et tourner dans une seule direction.
« Nous avons constaté que vous n'avez pas besoin d'une structure spéciale pour créer un moteur à cliquet », explique Mme Hatatani. « Un simple disque, sans aucune asymétrie, peut briser la symétrie seul et commencer à tourner dans une direction. »
Pour démontrer la même chose, les chercheurs ont placé un disque acrylique circulaire sur une couche peu profonde de perles de verre qui étaient contenues dans un plat vibrant. Lorsqu'il a vibré, les perles ont rebondi au hasard, collisant avec le disque circulaire. Mais au lieu de vaciller sans but, le disque a commencé à s'incliner légèrement, puis a commencé à tourner dans une seule direction. Ce spin dirigé a persisté pendant plusieurs secondes, malgré le hasard sous-jacent du mouvement des particules.
Le principe sous-jacent de cet effet réside dans la rupture de la symétrie spontanée. Initialement, les perles sont réparties uniformément sous le disque, mais au fur et à mesure que la vibration se poursuit, ils s'accumulent progressivement d'un côté, provoquant l'inclinaison du disque. Cette inclinaison, à son tour, renforce la distribution inégale des particules, verrouillant le système dans un état de rotation stable.
Pour confirmer davantage la physique derrière cela, les chercheurs ont construit un modèle mathématique basé sur la précession d'un top. Ce modèle a reproduit les mêmes résultats expérimentaux, confirmant que les collisions des particules en mouvement aléatoire étaient suffisantes pour maintenir le spin dans une direction.
« Fondamentalement, le système s'organise », explique le professeur Shioi. « Le caractère aléatoire des particules devient la source même de l'ordre, entraînant la rotation du disque. »
Au-delà de sa nouveauté, The Discovery fait également allusion aux futures innovations. Les vibrations bruyantes sont abondantes dans la vie quotidienne. L'évolution de cette énergie aléatoire pour l'extraction du mouvement réglementé pourrait inspirer de nouvelles technologies de récolte d'énergie. Cela pourrait également s'étendre aux applications du monde réel comme alimenter de petits appareils ou capteurs sans avoir besoin de sources d'énergie externes.
De plus, l'étude a également de grandes implications en physique. En montrant que la symétrie elle-même peut se briser spontanément pour produire un mouvement, il approfondit notre compréhension des systèmes sans équilibre et de la matière active.
Pour l'avenir, les chercheurs croient que les idées de leur étude pourraient ouvrir la voie à des technologies innovantes, ce qui permettait aux ingénieurs de concevoir des systèmes qui extraient le travail utile du bruit de fond omniprésent à différentes échelles.
« Dans l'ensemble, notre étude met en évidence un principe scientifique universel que même sans contrôle externe, l'ordre peut émerger du trouble », conclut le professeur Shioi.
