Une nouvelle étude se penche sur le comportement des particules actives dont la vitesse de propulsion varie en fonction de leur orientation. Ils ont découvert que ces particules forment des amas non circulaires avec un flux constant de particules entrant et sortant. Cette recherche, importante pour le contrôle potentiel de l’assemblage des particules, a des implications pour la création de matière programmable et les progrès de la technologie médicale.
Les chercheurs ont découvert des effets physiques jusqu’alors inconnus dans des systèmes constitués de particules dont la vitesse de propulsion dépend de leur orientation.
Le domaine de recherche axé sur les particules automotrices, dites particules actives, est en pleine expansion. Dans la plupart des modèles théoriques, ces particules sont supposées maintenir une vitesse de nage constante. Cependant, cette hypothèse n’est pas vraie pour de nombreuses particules produites expérimentalement, comme celles propulsées par ultrasons pour des applications médicales. Leur vitesse de propulsion varie avec l’orientation.
Une équipe de physiciens, dirigée par le professeur Raphael Wittkowski de l’Université de Münster et comprenant le professeur Michael Cates de l’Université de Cambridge, a mené une étude collaborative pour explorer comment cette vitesse dépendante de l’orientation influence le comportement des systèmes de particules, en particulier dans les amas. formation.
Ils ont combiné des simulations informatiques avec une analyse théorique pour découvrir de nouveaux effets dans les systèmes de particules actives dont les vitesses dépendent de l’orientation. Leurs découvertes ont été récemment publiées dans la revue Lettres d’examen physique.
Comportements surprenants dans les systèmes de particules
Ce qui est intéressant d’un point de vue physique, c’est que des systèmes composés de nombreuses particules actives peuvent spontanément former des amas – même lorsque les particules individuelles ne s’attirent pas du tout. En mesurant le mouvement des particules dans les simulations, les chercheurs sont arrivés à un résultat particulièrement surprenant.
« Normalement, en moyenne statistique, les particules de ces amas restent simplement là où elles se trouvent », explique l’auteur principal, le Dr Stephan Bröker de l’Institut de physique théorique de l’Institut de physique théorique de Université de Munster. « C’est pour cette raison que nous nous attendions à ce que ce soit également le cas ici. » Mais en réalité, les physiciens ont découvert autre chose : les particules sortent constamment de l’amas d’un côté et y reviennent de l’autre, produisant ainsi un flux permanent de particules.
Nouvelles formes de clusters et implications pratiques
Il existe également une autre différence par rapport au cas « normal » : les amas qui se forment dans les systèmes de particules actives sont normalement circulaires. Cependant, dans les particules examinées, la forme de l’amas dépend de l’influence de l’orientation des particules sur leur vitesse de propulsion – ce que l’expérimentateur peut préciser.
«En théorie, au moins, nous pouvons faire en sorte que les particules prennent la forme que nous souhaitons», explique le co-auteur principal, le Dr Jens Bickmann.
« Nous pouvons peindre avec eux, pour ainsi dire. » Dans les simulations, les chercheurs ont observé des ellipses, des triangles et des carrés. « Cela donne aux résultats une importance pratique », explique le Dr Michael te Vrugt de l’équipe Wittkowski et également co-auteur de l’étude. « Pour les applications techniques – par exemple pour la réalisation de matières programmables, il doit être possible de contrôler la manière dont les particules s’auto-assemblent – et avec notre approche, cela est effectivement possible. »
Le contexte : Il existe de nombreux exemples de particules actives en biologie – par exemple des bactéries nageant ou des oiseaux volants. Aujourd’hui, il est également possible de réaliser des particules artificiellement actives (nano et micro-robots) : l’un des objectifs est par exemple de les implanter dans l’organisme pour un transport ciblé de médicaments.
L’étude a été financée par la Fondation allemande pour la recherche et la Fondation d’études du peuple allemand.
