Comportement inattendu découvert dans les particules actives

L’étude des systèmes constitués de particules autopropulsées – appelées particules actives – est un domaine de recherche en pleine croissance. Dans les modèles théoriques de particules actives, on suppose souvent que la vitesse de nage des particules est toujours la même. Ce n’est cependant pas le cas des particules produites dans de nombreuses expériences, par exemple celles propulsées par ultrasons, importantes pour les applications médicales. Dans ces cas, la vitesse de propulsion dépend de l’orientation. Comment cette dépendance affecte le comportement des systèmes constitués de nombreuses particules — en particulier comment elle affecte la formation d’amas — est une question qu’une équipe de physiciens dirigée par le professeur Raphael Wittkowski de l’Université de Münster (Allemagne) a étudié. le premier à le démontrer dans le cadre d’un projet collaboratif avec le professeur Michael Cates de l’Université de Cambridge (Royaume-Uni/Angleterre).

En combinant simulations informatiques et dérivations théoriques, ils ont étudié le comportement de systèmes constitués de nombreuses particules actives dont la vitesse dépend de l’orientation, et ont ainsi découvert une série de nouveaux effets. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Lettres d’examen physique.

Ce qui est intéressant d’un point de vue physique, c’est que des systèmes constitués 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’Université de Münster. “C’est pour cette raison que nous nous attendions à ce que ce soit le cas ici aussi.” 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.

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 qui peut être stipulé par l’expérimentateur. “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.