Les scientifiques connaissent depuis longtemps les tenants et aboutissants de la thermodynamique d'équilibre. Les systèmes en équilibre - un état stable d'équilibre immuable - sont régis par un ensemble de règles soignées, les rendant prévisibles et faciles à explorer.

"En équilibre, il existe un cadre fantastique qui est très bien testé. Il n'y a presque pas d'hypothèses, " a déclaré Erik Luijten de Northwestern Engineering. " Le problème est que la plupart des systèmes dans la nature ne sont pas en équilibre. Pour ceux, nous n'avons pas de cadre utile avec les mêmes capacités prédictives."

Aujourd'hui, une équipe internationale composée de membres de l'autre côté du monde a découvert des preuves qu'un cadre soigné pour les systèmes hors équilibre pourrait bien exister. Dirigé par Luijten et Steve Granick de l'Institut coréen des sciences fondamentales (IBS), l'équipe a découvert un système de non-équilibre qui se comporte quantitativement comme un système d'équilibre. La découverte pourrait conduire à un ensemble de règles permettant de prédire les propriétés des systèmes hors équilibre, qui subissent des changements constants d'énergie et sont nécessaires à toutes les formes de vie.

" Tolstoï a dit, « Toutes les familles heureuses se ressemblent; chaque famille malheureuse est malheureuse à sa manière. C'est exactement ce que les scientifiques ont pensé des systèmes d'équilibre par rapport aux systèmes de non-équilibre. Tous les systèmes d'équilibre sont similaires, mais chaque système hors d'équilibre est hors d'équilibre à sa manière, " dit Granick, qui dirige l'IBS Center for Soft and Living Matter. "Nous avons découvert que ces systèmes apparemment imprévisibles pourraient être prévisibles après tout."

Soutenu par l'IBS, Département américain de l'énergie, et la Fondation nationale des sciences, la recherche a été publiée en ligne dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Luijten et Granick sont les auteurs co-correspondants de l'article. Ming Han, un doctorant au laboratoire de Luijten, et Jing Yan, un ancien étudiant diplômé de l'Université de l'Illinois, ont été co-premiers auteurs de l'article.

La recherche a été stimulée lorsque Granick et Yan ont remarqué quelque chose d'étrange dans le laboratoire. Alors qu'ils observaient un mélange aléatoire de particules de matière molle appelées colloïdes de Janus, que Granick a développé auparavant, ils ont observé que les particules se triaient parfois d'elles-mêmes par type. Nommé d'après le dieu romain à deux visages, les sphères micrométriques ont un hémisphère recouvert d'une fine couche métallique. Ils s'auto-propulsent en présence d'un champ électrique, et lorsqu'un champ magnétique tournant est appliqué, ils tournent en rond. En présence de ces champs, environ 50 pour cent des colloïdes orientent leur hémisphère métallisé dans la même direction. Les 50 pour cent restants font face dans la direction opposée.

"Lorsque les particules d'orientation opposée se déplacent en cercles, ils se heurtent et sont éjectés de leur orbite, " dit Luijten, professeur de science et génie des matériaux, sciences de l'ingénieur et mathématiques appliquées, et la physique et l'astronomie. "Les particules continuent d'être expulsées de leurs orbites jusqu'à ce qu'elles ne soient plus entourées que du même type. Les particules orientées vers la droite sont entourées par d'autres particules orientées vers la droite, et les particules orientées vers la gauche sont entourées par d'autres particules orientées vers la gauche."

Granick et son équipe ont reconnu ce comportement comme une séparation de phase, qui est caractéristique des substances en équilibre. Lorsque la séparation de phases se produit, un mélange de deux liquides ou plus se sépare en couches. La plupart ont été témoins d'une séparation de phases lors de l'agitation d'une vinaigrette à l'huile. Une fois le pansement réglé, la couche d'huile se dépose sur la couche de vinaigre.

"Ils ont remarqué une séparation de phase dans un système qui était hors d'équilibre, " a dit Han. "Parfois, ils ont vu une séparation de phase claire, mais d'autres fois, ils n'ont pas du tout vu de séparation de phase."

Collaborateurs de longue date, Granick et Luijten ont réfléchi ensemble au mystère. L'équipe de Luijten a répété l'expérience dans des simulations informatiques et a découvert que ce n'est que lorsque les particules tournaient avec de petits rayons qu'elles se séparaient en phase. Ils ont souligné que la longueur du rayon était la clé.

Les lois de la thermodynamique définissent les relations entre la température et l'énergie pour tous les systèmes d'équilibre. En connaissant la température du système, les scientifiques peuvent faire des prédictions sur ses autres propriétés. Luijten, Granick, et leurs équipes ont découvert que dans leur système hors équilibre, le rayon fonctionnait de la même manière que la température en tant que paramètre de contrôle.

"Nous avons constaté que tout ce que vous contrôlez par la température à l'équilibre dépend plutôt du rayon dans notre système, " dit Luijten. " C'est un général, énoncé fondamental qui est un point de départ pour plus d'exploration. Cela donne un peu d'espoir que nous puissions développer des directives générales pour les systèmes hors équilibre."