Imaginez une minuscule gouttelette en forme de beignet, couvert de vers qui se tortillent. Les vers sont tellement serrés les uns contre les autres qu'ils doivent s'aligner localement les uns par rapport aux autres. Dans cette situation, on dirait que les vers forment un cristal liquide nématique, une phase ordonnée similaire aux matériaux utilisés dans de nombreux écrans plats.

Cependant, la phase nématique formée par les vers est remplie de minuscules régions où l'alignement local est perdu - des défauts dans le matériau autrement aligné. En outre, parce que les vers se déplacent constamment et changent de configuration, cette phase nématique est active et loin de l'équilibre.

Dans une recherche rapportée dans la revue Physique de la nature , des scientifiques du Georgia Institute of Technology et de l'Université de Leiden aux Pays-Bas ont décrit les résultats d'un examen théorique et expérimental combiné d'un nématique aussi actif à la surface de gouttelettes toroïdales en forme de beignet. Cependant, les chercheurs n'ont pas utilisé de vrais vers, mais un nématique actif composé de filaments flexibles recouverts de moteurs microscopiques qui convertissent constamment l'énergie en mouvement.

Cette matière active particulière, développé à l'origine à l'Université Brandeis, emprunte des éléments de la machinerie cellulaire, avec des faisceaux de microtubules en forme de bâtonnets formant les filaments, les protéines motrices de la kinésine jouant le rôle de moteurs, et l'ATP comme carburant. Lorsque cette activité est associée à des défauts, les défauts « prennent vie, " se déplacer comme des micro-organismes nageurs et explorer l'espace - dans ce cas, explorer la surface des gouttelettes toroïdales.

En étudiant les gouttelettes toroïdales couvertes par ce nématique actif, les chercheurs ont confirmé une prédiction théorique de longue date sur les cristaux liquides à l'équilibre, discuté pour la première fois par Bowick, Nelson et Travesset [Phys.Rev. E69, 041102 (2004)] que les défauts nématiques sur la surface incurvée de telles gouttelettes seront sensibles à la courbure locale. Cependant, puisque le nématique actif utilisé dans ce travail est loin de l'équilibre, les chercheurs ont également découvert comment l'activité interne changeait et enrichissait les attentes.

"Il y a eu des prédictions qui disent que les défauts sont très sensibles à l'espace qu'ils habitent, spécifiquement à la courbure de l'espace, " a déclaré Perry Ellis, un étudiant diplômé de la Georgia Tech School of Physics et le premier auteur de l'article. "Le tore est un endroit idéal pour étudier cela parce que l'extérieur du tore, la partie qui ressemble localement à une sphère, a une courbure positive tandis que la partie interne d'un tore, la partie qui ressemble à une selle, a une courbure négative."

"La quantité qui caractérise un défaut est ce que nous appelons sa charge topologique ou nombre de bobinage, " a déclaré Alberto Fernandez-Nieves, professeur à la Georgia Tech School of Physics et un autre co-auteur de l'article. "Il exprime comment la direction d'alignement des cristaux liquides nématiques change au fur et à mesure que nous contournons le défaut. Cette charge topologique est quantifiée, ce qui signifie qu'il ne peut prendre que des valeurs d'un ensemble discret qui sont des multiples de moitié. "

Dans ces expériences, chaque défaut a une charge topologique de +1/2 ou -1/2. Pour déterminer la charge et l'emplacement de chaque défaut, Ellis a observé les gouttelettes toroïdales au fil du temps à l'aide d'un microscope confocal, puis a analysé la vidéo résultante à l'aide de techniques empruntées à la vision par ordinateur. Les chercheurs ont découvert que même avec les moteurs moléculaires entraînant le système hors d'équilibre, les défauts étaient encore capables de sentir la courbure, avec les défauts +1/2 migrant vers la région de courbure positive et les défauts -1/2 migrant vers la région de courbure négative.

Dans ce nouveau travail, les scientifiques ont fait un pas en avant pour comprendre comment contrôler et guider les défauts dans un matériau ordonné.

"Nous avons appris que nous pouvons contrôler et guider la matière active partiellement ordonnée en utilisant la courbure du substrat sous-jacent, " a déclaré Fernandez-Nieves. " Ce travail ouvre des opportunités pour étudier comment les défauts de ces matériaux s'arrangent sur des surfaces qui n'ont pas une courbure constante. Cela ouvre la porte au contrôle de la matière active à l'aide de la courbure."

Une découverte inattendue de l'étude était que le mouvement constant des défauts rend la charge topologique moyenne continue, ne prenant plus uniquement des valeurs multiples de la moitié.

« Dans la limite active de nos expériences, nous avons trouvé que la charge topologique devient une variable continue qui peut maintenant prendre n'importe quelle valeur, " a déclaré Fernandez-Nieves. " Cela rappelle ce qui arrive à de nombreux systèmes quantiques à haute température, où le quantum, la nature discrète des états accessibles et des variables associées est perdue.

Au lieu d'être caractérisé par des propriétés quantifiées, le système se caractérise par des propriétés de continu.

Les observations d'Ellis sur les gouttelettes se comparent bien à celles des simulations numériques effectuées par le professeur adjoint Luca Giomi et le chercheur postdoctoral Daniel Pearce à l'Institut de physique théorique de l'Institut-Lorentz de l'Universiteit Leiden aux Pays-Bas.

"Notre modèle théorique nous a aidés à déchiffrer les résultats expérimentaux et à bien comprendre le mécanisme physique régissant le mouvement des défauts, " dit Pearce, "mais nous a également permis d'aller au-delà des preuves expérimentales actuelles." Giomi a ajouté :"L'activité modifie la nature de l'interaction entre les défauts et la courbure. Dans les systèmes faiblement actifs, les défauts sont attirés par des régions de courbure gaussienne de même signe. Mais dans les systèmes fortement actifs, cet effet devient moins pertinent et les défauts se comportent comme des marcheurs aléatoires persistants confinés dans un espace clos et inhomogène".

Il existe de nombreux exemples de systèmes actifs entraînés par l'activité interne, y compris les micro-organismes nageurs, troupeaux d'oiseaux, essaims de robots et flux de trafic. "Les matières actives sont partout, donc nos résultats ne se limitent pas à ce système sur un tore, " Ellis a ajouté. " Vous pourriez voir le même comportement dans n'importe quel système actif avec des défauts. "

La recherche ouvre la voie à de futurs travaux sur les fluides actifs. "Nos résultats introduisent un nouveau cadre pour explorer les propriétés mécaniques des fluides actifs et suggèrent que la matière active partiellement ordonnée peut être guidée et contrôlée via des gradients dans la géométrie intrinsèque du substrat sous-jacent, " ont écrit les auteurs dans un résumé de leur article.