Crédit : Institut de physique de Leiden
La matière est soit du gaz, liquide ou solide en fonction de la façon dont ses molécules réagissent à la température et à la pression. Mais que se passe-t-il si les éléments constitutifs sont des particules auto-tournantes au lieu de molécules ordinaires ? Les physiciens théoriques ont découvert ce qui détermine la phase de ces matériaux artificiels. La recherche a été rapportée dans PNAS .
Lorsque l'eau atteint 100 °C, il passe à une phase gazeuse, au moins au niveau de la mer. La suppression de la pression de l'air fait bouillir l'eau à des températures plus froides. Il est clair que les matériaux constitués de molécules ordinaires prennent une phase en fonction de la température et de la pression. Le physicien théoricien de Leiden, le professeur Vincenzo Vitelli, s'est demandé ce qui se passerait si les matériaux avaient à la place des dimères à rotation automatique comme blocs de construction.
Simulation
À cette fin, les premiers auteurs Benny van Zuiden et Jayson Paulose ont simulé des dimères auto-tournants in silico et ont étudié comment ils s'organisent. En leur appliquant une pression progressivement croissante, ils ont vu le système passer d'un état ordonné à un état très chaotique.
La figure ci-dessous (à gauche) montre un état magnifiquement ordonné, avec des dimères formant soigneusement un réseau cristallin triangulaire. De plus, l'orientation relative des particules proches est verrouillée lorsqu'elles tournent.
A droite, la concentration est si élevée que le système se bloque dans une phase vitreuse. Remarquablement, il y a une phase liquide entre les deux. D'habitude, une substance devient plus solide à mesure que sa densité augmente. Ici, le contraire se produit.
Crédit : Institut de physique de Leiden
Liquide
Alors comment peut-il y avoir un état liquide ? Avec une faible densité, les dimères ont beaucoup de place pour bouger à leur guise et rester synchronisés, comme un groupe de danseurs de scène. Quand la scène est trop petite, les danseurs se bousculent et se déplacent de façon chaotique, sous forme de particules dans un liquide. Cependant, si la scène devient si petite que les danseurs sont incapables de bouger, ils se coincent dans une configuration désordonnée rappelant un verre.
