Une nouvelle étude se penche sur le comportement des particules actives dont la vitesse de propulsion change avec la direction. Ils ont constaté que les particules formaient des essaims non circulaires avec un flux continu de particules entrant et sortant. La recherche a des implications pour le contrôle potentiel de l’assemblage des particules, avec des implications pour la création de matière programmable et les progrès de la technologie médicale.
Les chercheurs ont découvert des effets physiques jusqu’alors inconnus dans des systèmes composés de particules dont la vitesse de propulsion dépend de la direction dans laquelle elles se déplacent.
Le domaine de recherche axé sur les particules autopropulsées (c’est-à-dire les particules actives) est en pleine expansion. Dans la plupart des modèles théoriques, ces particules sont supposées maintenir une vitesse de nage constante. Cependant, cette hypothèse n’est pas vraie pour de nombreuses particules produites expérimentalement, comme celles propulsées par ultrasons dans les applications médicales, dont la vitesse de propulsion varie selon la direction.
Une équipe de physiciens dirigée par le professeur Raphael Wittkowski de l'Université de Münster et le professeur Michael Cates de l'Université de Cambridge a mené une étude collaborative pour explorer comment cette vitesse dépendante de la direction affecte le comportement des systèmes de particules, notamment dans la formation d'amas.
Ils ont combiné des simulations informatiques avec une analyse théorique pour révéler de nouveaux effets de systèmes de particules actives dont les vitesses dépendent de l'orientation. Les résultats de la recherche ont été récemment publiés dans la revue Physical Review Letters.
D'un point de vue physique, il est intéressant de noter que des systèmes composés de nombreuses particules actives peuvent spontanément former des amas, même si les particules individuelles ne sont pas du tout attirées les unes vers les autres. En mesurant le mouvement des particules simulées, les chercheurs ont découvert un résultat particulièrement surprenant.
Le premier auteur, le Dr Stephan Bröker de l'Institut de physique théorique de l'Université de Münster, explique : « Normalement, à partir d'une moyenne statistique, les particules d'un tel amas restent là où elles sont. C'est pour cette raison que nous nous attendions à ce que ce soit également le cas ici.
Il existe une autre différence par rapport à la situation « normale » : les amas de particules formés dans les systèmes de particules actifs sont généralement circulaires. Cependant, parmi les particules étudiées, la forme de l'amas dépend de l'effet de l'orientation de la particule sur sa vitesse de propulsion, qui peut être précisée par l'expérimentateur.
Le co-premier auteur, le Dr Jens Bickmann, explique : "Au moins en théorie, nous pouvons organiser les particules dans la forme que nous souhaitons."
"Nous pouvons peindre avec eux, pour ainsi dire." Dans les simulations, les chercheurs ont observé des ovales, des triangles et des carrés. "Le Dr Michael Tverugt du groupe de Witkovsky est également co-auteur de l'étude. Pour les applications technologiques - par exemple, pour réaliser une matière programmable, il est nécessaire de pouvoir contrôler la façon dont les particules s'assemblent - et notre méthode le fait."
Contexte : Il existe de nombreux exemples de particules actives en biologie, comme les bactéries nageuses ou les oiseaux volants. De nos jours, il est également possible de réaliser des particules actives artificielles (nano- et microrobots) : par exemple, l'un des objectifs est de les implanter dans le corps humain pour une administration ciblée de médicaments.