Expliquer les ondes et tourbillons dans la matière active sous-critique

Publié par Adrien le 11/08/2022 à 09:00
Source: CEA IRAMIS
La matière active est composée d'entités individuelles convertissant de l'énergie en travail, ce qui entraine leur mise en mouvement, et leur permet de s'organiser spontanément du fait de leurs interactions mutuelles. De nombreux systèmes vivants peuvent être vus sous cet angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...), mais aussi, de plus en plus, des ensembles de microparticules actives synthétiques ou extraites de cellules. L'approche théorique de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) active ne bénéficie pas des résultats généraux valides à l'équilibre thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...), mais elle en garde les thèmes principaux: symétries, lois de conservation, et transitions de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) sont déterminantes, mais les propriétés émergentes de la matière active sont bien souvent nouvelles, offrant de nouvelles voies d'auto-organisation (L'auto-organisation est un phénomène de mise en ordre croissant, et allant en sens inverse de...) dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...).

Dans un article récent publié dans PNAS, Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC), Xia-qing Shi et le groupe de Tian Hui Zhang (Université de Suzhou) montrent qu'un système de colloïdes actifs juste sous critique (i.e. près du seuil de leur mise en mouvement) présente de nouveaux types de dynamique collective auto-organisée spectaculaires, comme des tourbillons auto-organisés isolés composés de milliers de particules.

Les systèmes de matière active généralement étudiés sont constitués d'objets (biofilaments, cellules, particules colloïdales, robots, animaux, etc...) qui bougent, même lorsqu'ils sont seuls ou isolés. Leurs propriétés collectives sont fascinantes et leur étude permet de mieux comprendre comment l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) injectée dans le système est convertie en travail.

Les résultats des études réalisées par Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC) et Xia-qing Shi, associés au groupe de Tian Hui Zhang (Soochow University) et récemment publiés dans PNAS, montrent que des particules isolées potentiellement actives mais pratiquement sans mouvement perceptible peuvent présenter des propriétés d'organisation (Une organisation est) collective spécifiques et remarquables du fait de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec leur congénères. En combinant expériences, théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) et simulations numériques, il est montré qu'une telle matière active sous-critique peut être réalisée avec des "rouleurs de Quincke": par ses travaux pionniers (1896) Georg Hermann Quincke* a montré que des particules colloïdales isolantes immergées dans un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) conducteur et soumises à un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) continu d'intensité supérieure à un seuil Ec subissent une instabilité conduisant à leur rotation dans le fluide. Pour des particules plus denses que le fluide, les particules commencent à rouler au fond du récipient dans une direction arbitraire.

Cette dynamique collective des rouleaux de Quincke* a déjà été étudiée dans le régime supercritique E > Ec. Il est ici montré que des phénomènes collectifs spectaculaires émergent aussi en régime sous-critique, i.e. pour un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) inférieur à Ec. Dans ce régime une certaine dynamique est possible, parce que les particules proches les unes des autres peuvent commencer à rouler même pour E c. Les phénomènes organisés rapportés incluent des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) d'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) rapides et des tourbillons isolés stables de taille arbitraire composés de milliers de particules se déplaçant à la même vitesse (On distingue :).


Résultats expérimentaux: (A) Schéma du dispositif expérimental. (B-J) Différentes vues où les particules sont colorées selon leur vitesse (selon le code couleur mentionné à droite). L'échelle spatiale mentionnée est de 100 μm. Les particules au repos sont laissées en blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...). Les figures de la rangée supérieure présentent une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de particules élevée (B-E, Φ ≃ 0.4 ) et sont ordonnées de gauche à droite par valeur croissante de E/Ec. De même pour la rangée inférieure où la densité de particules est faible (F-J, Φ ≃ 0.2).

Différentes configurations sont obtenues selon les valeurs de E/Ec: les images B et F montrent des clusters au repos, avec un ordre hexatique local de 0,65 Ec. (C) large vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les...) d'activité à E = 0.89 Ec. (D) flocage sous-critique à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) à E = 0.98 Ec. (E) Flocage sous-critique à E = 0.98 Ec. (G) Activité localisée à E = 0.9 Ec. (H) Tourbillon autostable isolé à E = 0.948 Ec. (I) Anneau autostable isolé à E = 0.968 Ec. (J) Flocon en spirale (En mathématiques, une spirale est une courbe qui commence en un point central puis s'en...) à E = 0.98 Ec.

Ces dynamiques collectives remarquables ne peuvent être expliquées par les modèles simples usuellement applicables à de tels systèmes. Un nouveau type de modèle doit être introduit pour rendre compte de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des phénomènes observés.


Résultats de la modélisation: (A-E) Configurations typiques dans un domaine de 960 μm avec des conditions aux limites périodiques. Les disques de diamètre 10 μm sont centrés sur les positions des particules. Les particules immobiles sont en blanc tandis que celles en mouvement sont colorées selon leur vitesse avec le code couleurs mentionné en (E). (A) ondes d'activité se propageant de gauche à droite dans un système dense (mc = 8.9, Φ = 0.33, soit ~ 3900 particules). (B) régime de flocage sous-critique dans un système dense avec des particules (~ 5530) se déplaçant principalement de droite à gauche (mc = 3, Φ = 0,47). (C-E) formation de vortex et de structure en anneau (Φ = 0.12, 1433 particules). (C) vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) instantanée en régime transitoire (mc = 3). (D) vortex final comprenant la plupart des particules du système (mc = 0.5). (E) Configuration finale de l'anneau comprenant la plupart des particules du système (mc = 0,05).

Les figures montrant les résultats expérimentaux et ceux de la modélisation L'expérience et la modélisation montrent ainsi toute la richesse du système étudié, où pour obtenir une description les propriétés collectives des particules actives considérées, il est nécessaire, au-delà des interactions entre particules usuellement considérées dans les modèles simples de matière active, de tenir compte du fluide qui les entoure et des configurations locales.

Cette étude se poursuit actuellement par l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) et numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) de plusieurs pistes prometteuses: application d'un champ périodiquement modulé, utilisation simultanée de plusieurs tailles de particules, etc. Ceci permet de faire varier plus d'un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) que la simple valeur de champ électrique constant, révélant toujours plus de modes d'auto-organisation dynamique.

Références:
"Activity waves and freestanding vortices in populations of subcritical Quincke rollers”
Zeng Tao Liu (Liu (chinois : 柳宿, pinyin : liǔ xiù) est une loge lunaire de...), Yan Shi, Yongfeng Zhao, Hugues Chaté, Xia-qing Shi, and Tian Hui Zhang, PNAS 118(40) (2021) e2104724118.

Note:
* Rouleaux de Quincke: structures observées par Georg Hermann Quincke en 1896, frère de Heinrich Quincke, premier à décrire en 1882 l'angioedème, ou oedème de Quincke.

Collaboration:
Z.T. Liu, Y. Shi, Y. Zhao, H. Chaté, X.-q. Shi, and T.H. Zhang, Center for Soft Condensed Matter Physics and Interdisciplinary Research, Soochow University, Suzhou (Suzhou (chinois simplifié : 苏州 ; chinois traditionnel :...) 215006, China.
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