Les troupeaux d'étourneaux qui produisent des motifs éblouissants dans le ciel sont des exemples naturels de matière active - des groupes d'agents individuels se réunissant pour créer une dynamique collective. Dans une étude publiée sur la couverture du numéro du 6 mars de la revue Science , une équipe de chercheurs qui comprend des physiciens de l'Université Brown révèle de nouvelles informations sur ce qui se passe à l'intérieur des systèmes de matière active.

La recherche décrit des expériences utilisant un nématique actif tridimensionnel. Nematic décrit un état de la matière qui émerge sous la forme de cristaux liquides largement utilisés dans les écrans de smartphones et de télévision. Les molécules en forme de cigare dans les cristaux liquides sont capables de se déplacer comme dans un liquide, mais ont tendance à rester ordonnés plus ou moins dans le même sens, un peu comme un cristal.

Dans un cristal liquide normal, les molécules sont passives, ce qui signifie qu'ils n'ont pas la capacité de s'autopropulser. Mais le système impliqué dans cette nouvelle étude remplace ces molécules passives par de minuscules faisceaux de microtubules, chacun avec la capacité de consommer du carburant et de se propulser. Le but de la recherche était d'étudier comment ces éléments actifs affectent l'ordre du système.

"Ces microtubules ont tendance à s'aligner, mais aussi détruire continuellement leur propre ordre d'alignement avec leur mouvement, " a déclaré le co-auteur de l'étude Daniel Beller, professeur adjoint de physique à l'Université de Californie, Merci, qui a commencé à travailler sur la recherche alors qu'il était chercheur postdoctoral à Brown. "Il y a donc des mouvements collectifs qui créent des défauts dans l'alignement, et c'est ce que nous étudions ici."

Au fur et à mesure que le système évolue, les défauts semblent prendre vie dans un certain sens, créer des lignes, boucles et autres structures qui serpentent à travers le système. Les chercheurs ont étudié les structures en utilisant la topologie, une branche des mathématiques qui s'intéresse à la façon dont les choses se déforment sans se casser.

"Si votre objectif est de comprendre la dynamique de ces systèmes, alors une façon de le faire est de se concentrer sur ces structures topologiques émergentes comme moyen de caractériser la dynamique, " dit Robert Pelcovits, professeur de physique à Brown et co-auteur de l'étude. « Si nous pouvons tirer des principes directeurs de ce système simple, cela pourrait nous aider à comprendre les plus compliqués."

Beller, Pelcovits et Thomas Powers, professeur d'ingénierie et de physique à Brown, a dirigé les travaux théoriques de l'étude. Le travail expérimental a été réalisé par des chercheurs de l'Université Brandeis et de l'Université de Californie, Santa Barbara. Chercheurs du Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, l'Université de Chicago, Brandeis et l'Université de technologie d'Eindhoven ont apporté leur expertise en modélisation informatique.

Ce genre de travail avait été fait dans des systèmes à deux dimensions, mais c'est la première fois qu'un système 3-D a été étudié de cette manière. La recherche a montré que les structures topologiques dominantes dans le système étaient des structures en boucle qui émergent spontanément, s'étendre puis s'auto-annihiler.

Les boucles sont liées aux types de défauts qui émergent dans les systèmes 2D mieux étudiés, mais ils diffèrent d'une manière clé, disent les chercheurs. En 2D, les défauts surviennent par paires de points qui ont des caractéristiques opposées ou "charges, " un peu comme les particules et les antiparticules. Une fois formées, ils existent jusqu'à ce qu'ils finissent par rencontrer un défaut avec la charge opposée, ce qui les fait s'anéantir.

Les boucles qui se forment en 3-D, en revanche, avoir aucun frais. Par conséquent, elles se forment et s'annihilent toutes seules. Ils sont toujours liés aux structures de défauts 2D, toutefois. En réalité, les boucles 3D peuvent être considérées comme des extensions de défauts ponctuels 2D. Imaginez deux défauts ponctuels posés sur une surface 2D. Reliez maintenant ces deux points avec un arc qui s'élève hors de la surface 2-D, et un deuxième arc sur la face inférieure de la surface. Le résultat est une boucle qui a les deux charges des points, mais est lui-même neutre en termes de charge. Cela permet la nucléation et l'annihilation tout seul.

Les chercheurs espèrent que cette nouvelle compréhension de la dynamique de ce système sera applicable dans des systèmes du monde réel comme les colonies bactériennes, structures et systèmes du corps humain, ou d'autres systèmes.

"Ce que nous avons trouvé ici, c'est un ensemble assez général de comportements qui, selon nous, seront pleinement présents dans des systèmes similaires qui ont cette tendance à s'aligner, mais qui transforment également l'énergie stockée en mouvement, ", a déclaré Beller.