Des matériaux avec des réponses mécaniques auto-adaptatifs ont longtemps été recherchés en science des matériaux. À l'aide de simulations informatiques, les chercheurs de l'Institut Tata de recherche fondamentale (TIFR), Hyderabad, montrent désormais comment un tel comportement adaptatif peut émerger dans des lunettes actives, qui sont largement utilisées comme modèles pour les tissus biologiques.
Les résultats, publiés dans la revue Physique de la natureFournissez de nouvelles perspectives – en allant à partir de la façon dont les cellules pourraient réguler leur lunette à aider dans la conception de nouveaux métamatériaux.
Les lunettes (ou solides amorphes) sont des matériaux dont les composants manquent d'une commande particulière. Comparez cela avec un cristal, où les atomes sont disposés en motifs soignés et répétés sur un réseau bien défini. Alors que les cristaux sont commandés et presque parfaits, les matériaux amorphes sont définis par leur trouble.
Lorsque ces matériaux désordonnés sont composés de composants qui peuvent utiliser des réserves d'énergie internes et se déplacer de manière autonome, elles forment ce que l'on appelle des lunettes actives.
Ces systèmes sont abondants dans des environnements où les particules sont étroitement emballées et possèdent des réserves chimiques – par exemple, les cellules épithéliales ou les colonies bactériennes.
Cependant, toutes les lunettes ne sont pas créées égales. Selon leur préparation, le même matériau peut former des lunettes avec des propriétés mécaniques très variables. Cette dépendance historique est une caractéristique de systèmes sans équilibre – ils se souviennent de la façon dont ils ont été préparés!
Pour préparer un verre, commencez avec un liquide (presque tous les liquides feront l'affaire) et refroidissez-le rapidement au-delà de son point de fusion. Si le refroidissement est suffisamment rapide, la cristallisation peut être évitée, résultant en un liquide surfoncé.
Alors que la température continue de baisser, il y a une température définie empiriquement en dessous duquel la dynamique ralentit si radicalement que le suivi du système dans tous les détails devient irréalisable. Il s'agit de la célèbre température de transition du verre. En dessous de ce point, le système est effectivement dans un état arrêté. Et voilà, ce que vous avez maintenant, c'est un verre.
Ce qui est particulièrement intéressant, c'est que, bien que la dynamique ait changé radicalement, structurellement, le système n'a pas beaucoup changé. Une compréhension claire de la façon dont ce croisement à un État arrêté se produit fait toujours défaut. Soit dit en passant, la nature de cette transition était autrefois appelée par le lauréat du prix Nobel PW Anderson comme « le problème le plus profond et le plus intéressant non résolu dans la théorie de l'État solide » – et il reste insaisissable.
Selon la rapidité ou la lenteur de cette température de transition de verre, vous obtenez des lunettes avec différentes propriétés mécaniques.
Généralement, le refroidissement plus lent entraîne des lunettes bien recouvertes, qui sont cassantes (les systèmes qui se brisent brusquement avec un snap pointu sous un chargement externe), tandis que le refroidissement plus rapide entraîne des lunettes mal recuites, qui sont plus ductiles (systèmes qui allongent et forment les cou avant finalement).
Une autre façon de visualiser cela est par un paysage énergétique, avec des barrières (collines) séparant les minima locaux (vallées). Toute configuration de verre peut être considérée comme étant coincée dans l'un de ces nombreux minima locaux, les barrières l'empêchant de passer et d'explorer d'autres états d'énergie inférieurs. Un meilleur refroidissement lors de la création du verre conduit le système à un minimum plus profond dans ce paysage.
Sharma et Karmakar ont découvert que la transmission de la motilité supplémentaire à certaines composantes d'un verre mal recuit induit un recuit supplémentaire dans le système, l'emmenant dans des régions progressivement inférieures du paysage. Cela se reflète comme une diminution progressive de l'énergie potentielle du système.
Ils ont démontré que les réarrangements locaux causés par l'activité dans un verre peuvent recommencer suffisamment le système pour transformer un matériau ductile initialement en un matériau fragile. En substance, les chercheurs ont constaté que la dynamique active peut fournir un moyen de traverser le paysage énergétique plus efficacement.
Un corollaire de ceci est que le vieillissement amélioré observé dans les lunettes actives pourrait en partie expliquer certains des changements mécaniques observés dans le vieillissement et la maturation des tissus.
Ainsi, s'inspirant des tissus biologiques, on pourrait concevoir de nouveaux métamatériaux qui incorporent des constituants actifs pour réguler leur fragilité tout au long de leur cycle de vie.
Encore plus intéressant, l'étude a révélé que les lunettes actives partagent bon nombre des mêmes phénomènes observés dans des verres soumis à un cisaillement oscillatoire (ou cyclique). Pour illustrer brièvement la déformation du cisaillement cyclique, imaginez prendre une boîte solide et fixer sa base afin qu'elle ne puisse pas bouger.
Maintenant, maintenez le haut et poussez à plusieurs reprises et tirez dessus le long d'une direction fixe parallèle à la face supérieure. Il s'agit d'une caricature simplifiée d'une déformation de cisaillement oscillatoire.
L'étude a révélé que l'amplitude et la fréquence d'une telle oscillation imposée aux solides amorphes passives pouvaient être effectivement cartographiés à la force des forces actives et à leur temps de persistance, respectivement, dans des lunettes actives.
En plus de montrer le recuit mécanique, une autre caractéristique des verres sous cisaillement oscillatoire est qu'après les cycles répétés, l'amplitude de déformation est imprimée sur le système. Cette empreinte peut plus tard être «lue» en utilisant des techniques sophistiquées.
Remarquablement, des effets de mémoire similaires ont également été découverts dans le cas de lunettes actives, en utilisant des protocoles de lecture légèrement différents mais analogues. Étant donné que l'activité dans les assemblages des cellules est généralement contrôlée par leur métabolisme, les effets de la mémoire observés pourraient fournir des informations sur la façon dont l'apprentissage et les besoins métaboliques sont connectés.
D'autres similitudes incluent la transition du système d'un état bloqué à un état fluidisé à de grandes valeurs de conduite. Cette fluidisation dans les lunettes actives a été largement étudiée dans la littérature et est cruciale pour comprendre la biophysique de la cicatrisation des plaies et de la morphogenèse, qui impliquent la migration des cellules de masse.
Le fait que les systèmes aussi complexes que les lunettes actives puissent essentiellement être cartographiés sur des lunettes ordinaires sous cisaillement oscillatoire implique que les chercheurs peuvent désormais utiliser la vaste boîte à outils développée pour comprendre les solides amorphes pour étudier les systèmes biophysiques.
Cette étude révèle une analogie profonde entre les lunettes actives et les solides amorphes entraînés par cyclique, établissant une activité interne comme un nouveau moyen de recueillir des lunettes.
Cependant, cette méthode a du mal à faire correspondre les performances des techniques de recuit insico dédiées comme Swap Monte Carlo.
Les mouvements non locaux, tels que l'échange de particules sur des distances arbitraires, permettent à l'échange de Monte Carlo d'atteindre des états extrêmement faibles qui restent hors de portée pour les méthodes locales comme le recuit induit par l'activité.
Une exploration plus approfondie est nécessaire pour déterminer si ces méthodes locales peuvent devenir plus compétitives avec d'autres techniques dédiées ou être utilisées en tandem pour équilibrer davantage les lunettes. Ceci, ainsi que l'exploration des effets de la mémoire et de l'apprentissage dans les systèmes actifs, présente des voies prometteuses pour de futures recherches.
