Des physiciens de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg et Heinrich-Heine Universität Düsseldorf ont démontré que la démixtion se produit dans des systèmes constitués de particules macroscopiques tournant dans des directions opposées et que les particules tournant dans le sens horaire ou antihoraire forment des groupes homogènes. Les chercheurs ont utilisé des robots miniatures fabriqués à l'aide de méthodes d'impression 3D pour leur expérience. Les résultats ont été publiés dans la célèbre revue Communication Nature .

Le phénomène lui-même est bien connu. Les organismes biologiques tels que les bactéries et les particules artificielles actives ont tendance à s'organiser en essaims et en motifs. Cependant, comment cette auto-organisation fonctionne et quelles forces sont impliquées n'a pas encore été étudiée dans une large mesure. Les expériences sur la dynamique des particules microscopiques sont difficiles à mener et la portée des simulations est limitée car les mécanismes fondamentaux d'interaction ne sont pas encore compris.

Les vibrations font tourner les mini-robots

Des physiciens de la FAU et de l'Université de Düsseldorf ont maintenant observé comment les particules en rotation s'auto-organisent au cours des expériences. Faire cela, ils ont placé de petits robots sur une plaque de base vibrante. Ils mesuraient environ 1,5 centimètre et étaient équipés de sept pieds inclinés qui agissent comme des ressorts élastiques et convertissent l'impulsion de vibration en mouvement de rotation. Pour améliorer les interactions, les robots, fabriqué à l'aide d'imprimantes 3D, étaient équipés de quatre cannelures les faisant se comporter comme des roues dentées qui s'engrènent. "Notre configuration est en fait assez simple, " explique le professeur Thorsten Pöschel de l'Institut de simulation multi-échelle de la FAU. " Nous avons placé 210 rotors tournant dans le sens des aiguilles d'une montre et 210 rotors tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans un anneau dans une configuration en damier entièrement mélangée. Nous avons allumé la table vibrante et observé ce qui s'est passé."

Les particules de maillage se collent les unes aux autres

Les chercheurs ont été surpris par les résultats :des domaines uniques étaient clairement visibles après seulement une minute, et après 15 minutes, les robots s'étaient presque entièrement démixés. "Cette segmentation n'est pas intuitive, ", explique le Dr Christian Scholz de l'Institut de physique théorique II de l'Université Heinrich-Heine de Düsseldorf. tourner alternativement vers la droite ou vers la gauche." L'inverse est vrai, toutefois. Les rotors qui tournent dans le même sens s'emboîtent et forment des groupes. En suivant les robots individuels, les chercheurs ont observé des courants de bord super diffusifs :les particules proches des interfaces sont plus mobiles que celles au centre des domaines.

Les simulations confirment les résultats de l'expérience

De nombreuses répétitions montrent que les résultats de l'expérience sont très robustes :les rotors avaient formé pour la plupart trois ou quatre domaines séparés après 1000 secondes de vibration. Les simulations sur la base des équations de Langevin montrent toujours une démixtion complète en deux groupes. "Le fait que les variations au cours des tests aient été plus importantes que celles de la simulation pourrait avoir été causé par des imperfections dans la forme de nos rotors imprimés à l'aide d'imprimantes 3D et par l'influence de la gravité car nous ne sommes pas en mesure d'aligner les vibrations table en position complètement horizontale, " explique le professeur Michael Engel de l'Institute of Multiscale Simulation de la FAU.

L'approche expérimentale utilisant des rotors physiques et les simulations de Langevin sont bien adaptées pour décrire la dynamique collective et la séparation de phase des particules en rotation. Les chercheurs espèrent apporter une contribution à d'autres recherches sur la matière molle active et les particules microscopiques voire moléculaires. Les résultats du projet ont été publiés sous le titre "Rotating robots move collective and self-organize" dans la célèbre revue Communication Nature .