Les physiciens de l'Université du Colorado Boulder ont fait des efforts créatifs pour gagner leurs insignes de reconnaissance pour le nouage.

Dans une étude qui paraîtra le 22 septembre dans la revue Science , une équipe de chercheurs a découvert une nouvelle façon de nouer des nœuds microscopiques dans une solution de cristaux liquides. Ce type de matériau se retrouve dans une large gamme d'appareils électroniques, des téléviseurs haute définition aux écrans de téléphones portables.

Et même si les petits nœuds ne vous aideront pas à sécuriser une barque ou à planter une tente, ils sont un exploit de contrôle, dit Jung-Shen (Benny) Tai, auteur principal de la nouvelle recherche. Une fois attaché, ces bretzels moléculaires ne se détacheront pas, et ils peuvent se réunir pour former de grands, cristaux tridimensionnels.

"En changeant la tension que nous appliquons au cristal liquide avec nos nœuds, nous pouvons les faire étendre ou rétrécir et même former le logo CU Boulder lorsqu'ils sont manipulés à l'aide de lasers, " dit Taï, un étudiant diplômé du Département de physique.

Le co-auteur Ivan Smalyukh pense que les nœuds à cristaux liquides de l'équipe auront d'autres utilisations, trop.

Physiciens, il expliqua, s'intéressent depuis longtemps à la façon dont les nœuds peuvent se former dans un large éventail de domaines physiques, tels que ceux émergeant des aimants. Le problème est que ces phénomènes ne sont pas faciles à observer ou à manipuler avec des outils conventionnels.

"Les scientifiques ont proposé des nœuds comme ceux-ci en cosmologie, Physique nucléaire, la physique des particules, partout, " dit Smalyukh, un professeur de physique. "Mais ce qui est beau avec les cristaux liquides, c'est que vous pouvez les voir et les étudier au microscope."

Il a ajouté que l'étude s'appuie sur l'obsession de longue date de l'humanité pour les nœuds. De telles formes ont joué un rôle central dans l'art celtique, Norrois, cultures tibétaine et chinoise, pour n'en nommer que quelques-uns.

"L'humanité est fascinée par les nœuds depuis des millénaires, " a déclaré Smalyukh.

Les scientifiques ne font pas exception. Dans le 19ème siècle, par exemple, les célèbres physiciens William Thomson et James Clerk Maxwell ont proposé que les atomes eux-mêmes puissent être constitués de minuscules nœuds d'énergie. Ce modèle a finalement été démystifié, mais cela a contribué à inspirer un domaine de recherche actuel appelé théorie mathématique des nœuds.

Et cela a poussé de nombreux scientifiques à rechercher des nœuds dans d'autres phénomènes physiques. Pour leur part, Smalyukh et Tai se sont tournés vers les cristaux liquides.

Ces types de matériaux sont utiles car ils se comportent un peu comme des solides et un peu comme des liquides.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont expérimenté un type de molécule de cristal liquide en forme d'hélice, ou une petite vis. Parce que ces vis ne s'emboîtent pas bien, ils ont tendance à se tordre, dit Smalyukh. Par conséquent, si vous les mélangez dans les bonnes conditions, de petits plis commenceront à apparaître dans la solution. A travers un microscope, ces plis ressemblent un peu à des grains de sable flottant dans un verre d'eau.

Mais ce ne sont pas des céréales. Ce sont des nœuds.

"Nous voyons un grand nombre de molécules qui savent faire des nœuds, " a déclaré Smalyukh.

En d'autres termes, les molécules à l'intérieur des minuscules plis pointent dans des directions différentes de celles qui les entourent. Et si vous mesurez leurs orientations collectives dans différents lieux, ils tracent la ligne d'un nœud.

Tai a ajouté que l'équipe a vu plusieurs types de nœuds apparaître dans leurs solutions à cristaux liquides. Le plus basique est le nœud de trèfle, qui se croise trois fois et était un motif populaire dans l'art celtique.

"Nous avons aussi eu des nœuds plus compliqués comme les nœuds de quintefeuille, ou nœuds à cinq croisements, et même ceux à sept croisements, " il a dit.

Comme les meilleurs nœuds, ces créations ne se briseront pas à moins que les chercheurs ne perturbent le milieu environnant, l'équivalent d'utiliser des ciseaux pour les couper. Par conséquent, l'équipe a pu utiliser des lasers pour déplacer les nœuds, en les poussant ensemble pour former des structures beaucoup plus grandes.

"Avec les cristaux liquides, nous pouvons facilement imager et analyser ces nœuds et les comparer à de vrais nœuds mathématiques, " a déclaré Tai. " Donc, cela fournit une très belle plate-forme pour tester la théorie des nœuds. "

Smalyukh a accepté et a déclaré que c'était aussi tout simplement excitant de trouver une nouvelle façon de jouer avec les nœuds.

"Nous savons qu'il y a une belle histoire de gens fascinés par la possibilité de nœuds dans les champs, " a-t-il dit. "Mais c'était assez inattendu de les voir dans cette incarnation juste devant nos yeux."