Il s'agit d'une image de trajectoires atomiques dans un liquide bidimensionnel, générés par des simulations informatiques. La plupart des trajectoires sont allongées, et l'allongement des trajectoires proches est similaire. C'est la signature visuelle des mouvements collectifs trouvés par Li et al., ce qui démontre une différence fondamentale entre les liquides bidimensionnels et tridimensionnels. Crédit :Université technologique de Nanyang
Un puzzle vieux de 50 ans en mécanique statistique a été résolu par une équipe internationale de chercheurs qui ont prouvé que les liquides bidimensionnels (2-D) ont des propriétés dynamiques fondamentalement différentes des liquides tridimensionnels (3-D).
Les chercheurs utilisent régulièrement des expériences et des simulations en 2D pour représenter des liquides en 3D, simplement parce que les études en 2D sont plus faciles à faire.
Avec ces études, les physiciens visent à rationaliser les propriétés macroscopiques familières des fluides, comme la viscosité, en termes de mouvement microscopique des particules, qui en 2-D peut être directement visualisé.
L'équipe dirigée par le professeur agrégé Massimo Pica Ciamarra à l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapour) a entrepris de comprendre le « mouvement thermique » des atomes dans les liquides 2D et 3D.
À l'aide d'un mélange de calculs sur papier et de simulations numériques, ils ont prédit que les atomes dans les liquides 2D peuvent parcourir de longues distances avant d'"oublier" effectivement leurs positions initiales. Ce comportement donne lieu à un subtil mouvement collectif des atomes, d'une sorte que l'on pensait auparavant n'apparaître que dans les solides.
Pour confirmer leurs conclusions théoriques, les chercheurs ont réalisé des expériences qui ont suivi les mouvements des particules colloïdales sous un microscope. Dans les liquides tridimensionnels ordinaires, ces particules exécutent un type de mouvement aléatoire connu sous le nom de mouvement brownien.
Mais dans les liquides bidimensionnels, l'équipe a pu démontrer que le mouvement brownien se superpose à des mouvements collectifs à grande échelle. On croyait auparavant que ce mouvement collectif ne se produisait que dans les solides 2D, comme prédit dans les années 1960 par Mermin et Wagner.
La preuve de la différence fondamentale entre les liquides 2D et 3D a été obtenue par des chercheurs de NTU Singapore, le Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research en Inde, l'Université des sciences et technologies de Chine, et l'Université de Californie (Los Angeles) aux États-Unis. Leurs travaux ont été publiés en novembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).
"Notre découverte montre que les liquides bidimensionnels et les liquides tridimensionnels ne sont pas que des variantes les uns des autres, mais des types de matière fondamentalement différents, " a déclaré le professeur Assoc Pica Ciamarra.
"Nos résultats aident à expliquer de nombreuses différences déroutantes entre les propriétés dynamiques des liquides bidimensionnels et tridimensionnels, qui avait été rapporté dans la littérature scientifique, " a déclaré le professeur Assoc Pica Ciamarra. " Ce n'est qu'en 2-D, pas en 3D ou en dimensions supérieures, que le temps de relaxation n'est pas inversement proportionnel à la diffusivité des particules."
"Pour extraire des informations pertinentes sur la dynamique des liquides 3-D à partir des investigations 2-D", a ajouté le Dr Y.-W. Li, co-auteur de cette étude, "les chercheurs doivent développer un moyen de filtrer sélectivement l'effet des oscillations de particules collectives observées."
