Des physiciens découvrent les « vortexons », une nouvelle forme de matière active

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| Getty

De nombreux systèmes actifs formant des groupes circulaires de plusieurs individus ou composants existent dans le monde. Lorsqu’ils se déplacent sous cette forme, la dynamique structurelle du groupe, à son échelle la plus basique, devient inhabituelle et adopte un comportement des plus étonnants. C’est ce qu’ont découvert des physiciens russes en simulant le comportement de particules actives. Celles-ci se sont regroupées pour former des tourbillons appelés « vortexons » à la dynamique étrange. En effet, sous cette forme, les vortexons ne semblent pas se conformer à certaines lois physiques universelles comme la deuxième loi du mouvement de Newton.

Les lois physiques, telles que la deuxième loi du mouvement de Newton — qui stipule que lorsqu’une force appliquée à un objet augmente, son accélération augmente et que lorsque la masse de l’objet augmente, son accélération diminue —, s’appliquent à la matière passive et non vivante, allant des grains de sable aux planètes. Mais une grande partie de la matière dans le monde est vivante et se déplace par ses propres moyens, indique Nikolai Brilliantov, mathématicien à l’Institut Skolkovo des Sciences et de la Technologie en Russie et à l’Université de Leicester en Angleterre.

Les êtres vivants aussi divers que les bactéries, les oiseaux et les humains, peuvent interagir avec les forces exercées sur eux. Il existe également des exemples de matière active non vivante. Les nanoparticules, appelées « particules Janus », sont constituées de deux faces avec des propriétés chimiques différentes. Les interactions entre les deux côtés créent un mouvement autopropulsé.

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Un état tourbillonnant composé de vortexons

Pour explorer la matière active, Brilliantov et ses collègues ont utilisé un ordinateur pour simuler des particules qui pourraient s’autopropulser. Ces particules n’interagissaient pas consciemment avec l’environnement. Au contraire, elles s’apparentaient davantage à de simples bactéries ou nanoparticules avec des sources d’énergie internes, mais sans capacités de traitement de l’information.

La première surprise a été que cette matière active se comporte très différemment de la matière passive. Différents états de matière passive peuvent coexister. Par exemple, un verre d’eau liquide peut s’évaporer progressivement dans un état gazeux tout en laissant de l’eau liquide au fond du verre. La matière active, en revanche, ne coexistait pas en différentes phases ; tout était solide, liquide ou gazeux.

evolution etat tourbillonnant
Graphiques montrant l’évolution de l’état tourbillonnant. Au départ, l’agrégation est rapide, car les vortexons s’attirent et ont une grande mobilité. Au fil du temps, la masse moyenne des vortexons augmente et la mobilité diminue. Il en résulte un ralentissement de la coalescence. Finalement, il reste une petite quantité de votexons très massifs dont la mobilité disparaît et l’agrégation cesse pratiquement. © Nikolai V. Brilliantov et al. 2020

Les particules étaient également regroupées sous forme de gros conglomérats, ou quasi-particules, qui se réunissaient selon un motif circulaire autour d’un vide central, un peu comme un tourbillon de sardines en banc. Les chercheurs ont surnommé ces conglomérats de particules des « vortexons » et ont appelé le nouvel état de la matière qu’ils formaient « état tourbillonnant ».

L’étrange dynamique des vortexons

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Dans cet état tourbillonnant, les particules affichaient un comportement étrange. Par exemple, elles ont violé la deuxième loi de Newton : lorsqu’une force leur était appliquée, elles n’accéléraient pas. « Les vortexons se déplacent simplement avec une vitesse constante, ce qui est absolument surprenant », affirme Brilliantov.

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Les simulations étaient basiques et le travail expérimental avec de la matière active du monde réel est la prochaine étape importante de l’étude. Brilliantov et ses collègues prévoient également de faire des simulations plus complexes en utilisant des particules de matière active dotées de capacités de traitement de l’information.

Celles-ci ressembleront davantage aux insectes et aux animaux et aideront à révéler les lois physiques régissant la tendance à se regrouper, l’essaimage et le troupeau. En fin de compte, l’objectif est de créer des matériaux autoassemblés à partir de matière active, c’est pourquoi il est aussi important de comprendre la dynamique de ce type de matière.

Sources : Scientific Reports

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