L’expérience : des gouttelettes dotées d’un « moteur » chimique
L’étude se concentre sur la classe de matériaux déformables ou fluides (tels que les émulsions, les gels, les suspensions colloïdales ou les tissus biologiques) connue sous le nom de « matière molle ». Plus précisément, le travail porte sur la matière molle « active », constituée d’unités hors équilibre thermodynamique, capables d’absorber de l’énergie depuis l’environnement ou depuis une réserve chimique interne – en substance, un « moteur » intégré – et de la convertir directement en mouvement autonome.
Le groupe de recherche a analysé le comportement de 50 gouttelettes d’huile déposées sur de l’eau. Les gouttelettes sont actives parce qu’elles libèrent une substance qui les fait se déplacer d’elles-mêmes. Les auteurs de l’étude expliquent comment cela fonctionne : Roberto Menichetti et Raffaello Potestio, du Département de physique de l’Université de Trente et de l’INFN-TIFPA ; Martin Hanczyc et Silvia Holler, du Département de biologie cellulaire, computationnelle et intégrative (CIBIO) de l’Université de Trente ; Matteo Scandola, premier auteur (Sorbonne Université, anciennement chercheur à l’Université de Trente) ; et Richard Löffler, de l’Université de Copenhague.
« Au début, les gouttelettes se déplacent à grande vitesse comme des mouches affolées, se percutant et rebondissant les unes contre les autres. Au fil de l’expérience, toutefois, elles tendent à s’agréger en une structure ordonnée. Par rapport à des études similaires antérieures, la véritable percée a consisté à introduire une petite variation : nous avons teint 25 gouttelettes en bleu et 25 en rouge. Le colorant n’était pas qu’un moyen de les marquer et de les distinguer : bien qu’il s’agisse d’un changement chimique infinitésimal, il a légèrement modifié la surface des gouttelettes, affectant la vitesse à laquelle elles consommaient leur « carburant » et, par conséquent, la structure qui se forme. »
Les chercheurs décrivent ensuite les étapes du processus d’auto-assemblage : « Nous avons constaté que le système évolue à travers cinq phases reproductibles. Au début, les gouttelettes entrent en collision de manière chaotique. À mesure qu’elles consomment le carburant, les gouttelettes bleues ralentissent en premier et commencent à s’agglutiner. Les gouttelettes rouges, encore rapides et actives, finissent par piéger les bleues, les poussant vers le centre et les y confinant. Une fois le carburant épuisé, l’activité s’arrête. Le résultat est un « radeau » parfaitement ordonné et immobile, avec un noyau de gouttelettes bleues entouré d’un anneau extérieur de gouttelettes rouges.
« C’est un exemple parfait de « phénomène émergent », comme cela se produit dans la nature avec les nuées d’oiseaux : l’individu n’a aucune vue d’ensemble et suit des règles locales, mais le groupe se déplace comme un seul organisme coordonné », expliquent-ils. « En particulier, si les gouttelettes avaient été également actives, elles se seraient mélangées de manière aléatoire sans jamais former de structure concentrique. » En ne modifiant qu’une nuance d’activité, les chercheurs ont ainsi pu « programmer » l’organisation finale de la matière. « La coexistence d’une extrême sensibilité aux variations microscopiques et d’une stricte reproductibilité à l’échelle macroscopique est l’un des aspects les plus remarquables de ce système. »
Applications potentielles
« Notre objectif à long terme s’inscrit dans le domaine des « systèmes bio-inspirés », où nous voulons comprendre comment l’information contenue dans les composants individuels peut contrôler l’ensemble du système, en posant les fondements des matériaux du futur : dynamiques, réactifs et capables de s’adapter à leur environnement », expliquent les chercheurs.
Plus précisément, la recherche fournit de nouveaux outils pour guider l’assemblage autonome de la matière en agissant simplement sur la vitesse et l’activité de ses éléments constitutifs, sans qu’il soit nécessaire de recourir à des composants électroniques ou à des capteurs physiques. Cela ouvre des perspectives potentiellement transformatrices dans le domaine de la matière molle active : des matériaux intelligents capables de s’adapter à leur environnement, de s’auto-réparer ou de s’auto-assembler (comme des tissus qui se régénèrent dans les prothèses biomédicales), jusqu’aux dispositifs de robotique liquide.
Article : Minimal physicochemical heterogeneity shapes the collective dynamics of active droplets – Journal : npj Soft Matter – Méthode : Meta-analysis – DOI : Lien vers l’étude
Source : Di Trento U
