Les vers de terre forment souvent un cluster, dont ils peuvent à peine se libérer. Une structure tout aussi active et tordue se forme lorsque les tentacules de la méduse de crinière de lion se terminent. Les pinces robotiques utilisent ce principe en utilisant plusieurs bras flexibles synthétiques pour saisir et déplacer des objets. Et de tels filaments autopropulsés interconnectés peuvent également être trouvés à l'échelle de micromètre plus petite, par exemple dans une cellule biologique.
Les chaînes ou les tentacules sont également appelés chaînes de polymère. Lorsqu'ils ne sont soumis qu'à un bruit thermique, la structure et la dynamique de telles entrepôt sont décrites par la physique des polymères conventionnels. La description théorique est basée sur un modèle de tube: une chaîne de polymère se déplace aléatoirement dans un tube alambiqué formé par ses voisins.
Le professeur Dr. Hartmut Löwen de l'Institute for Theoretical Physics II à HHU dit: « En utilisant ce modèle, les physiciens peuvent prédire à quelle vitesse une chaîne peut se sortir d'un cluster. Le temps nécessaire est déterminé via une soi-disant loi d'échelle avec un exposant universel et est étroitement corrélé à la durée de la chaîne, c'est-à-dire combien de temps cela prend une chaîne qui a libéré lui-même quand il est TWICE. » Pierre-Gilles de Gennes a reçu le prix Nobel de physique en 1991 pour cette modélisation en polymère.
Cependant, on ne savait pas comment le modèle change lorsque les polymères sont actifs. Par exemple, lorsqu'ils sont constitués de chaînes de vers vivantes aléatoires. Cette question centrale du domaine de la recherche de la « matière douce active » est restée depuis longtemps sans réponse.
Des chercheurs de HHU, de l'Université technique de Darmstadt et de l'Université de technologie de Dresde ont, en collaboration avec le Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems de Dresde, ont maintenant découvert ces dynamiques à l'aide de simulations informatiques à grande échelle. Publication Communications de la nature ils ont pu montrer que les lois d'échelle changent fondamentalement: les exposants associés changent significativement par rapport au cas passif de chaînes initiées au hasard.
Dans le processus, les chercheurs ont non seulement déterminé le nouvel exposant, mais ont également créé un nouveau modèle de tube dans lequel les nouveaux phénomènes peuvent être classés et clairement compris. Avec le modèle, ils ont établi que la rigidité de cette masse de polymère vivante augmente considérablement à mesure que les forces de préhension internes provoquent un système vivant et se bloquer.
L'auteur principal, le Dr Davide Breoni, qui a obtenu son doctorat sous la supervision du professeur Löwen et mène maintenant des recherches à Trento, en Italie, « Préparation de ces grappes à diverses tailles de polymère dans notre modèle informatique a été un travail minutieux.
Le Dr Suvendu Mandel, qui a travaillé comme postdoc au HHU et travaille maintenant à Darmstadt, poursuit: « Les nouvelles lois révolutionnent la physique des polymères. Ils montrent qu'il est très facile pour les systèmes de vie de se mettre collectivement enchevêtrés, augmentant leur rigidité dans l'ensemble. Intuitivement, on pourrait s'attendre à l'opposé – que leur mouvement actif leur permettent de se démêler plus rapidement. »
Le professeur Löwen indique un avantage pratique de ces résultats: « Ils pourraient permettre le développement de nouveaux« matériaux intelligents », qui deviennent plus rigides à la poussée d'un bouton, c'est-à-dire qui peut radicalement modifier leurs propriétés viscoélastiques. »
