Une gouttelette de prédateur d'huile de bromooctane chasse une gouttelette de proie d'huile fluorée dans une solution aqueuse de tensioactif. Crédit :Laboratoire Zarzar/Chimie de la nature
Les gouttelettes d'huile peuvent être amenées à agir comme des prédateurs, chasser d'autres gouttelettes qui fuient comme des proies. Le comportement, qui est contrôlé par la signalisation chimique produite par les gouttelettes, imite le comportement observé chez les organismes vivants mais, jusqu'à maintenant, n'avait pas été recréé dans des systèmes synthétiques. Ce système chimique accordable pourrait potentiellement servir de modèle pour aider à comprendre les interactions dans les systèmes à plusieurs corps tels que les bancs de poissons, colonies bactériennes, ou des essaims d'insectes.
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par des scientifiques de Penn State décrit le système dans un article publié le 16 novembre. 2020 dans la revue Chimie de la Nature.
"En contrôlant la chimie des gouttelettes d'huile, nous pouvons créer un système dans lequel les gouttelettes se comportent activement et communiquent entre elles par des gradients chimiques, " a déclaré Lauren Zarzar, professeur adjoint de chimie à Penn State et chef de l'équipe de recherche. « La chose intéressante que nous avons trouvée est que vous pouvez concevoir un système de gouttelettes qui présentent des interactions « non réciproques ». Une gouttelette est attirée par l'autre, tandis que l'autre est repoussé, semblable au comportement du prédateur et de la proie."
Les chercheurs placent des gouttelettes microscopiques des deux huiles différentes dans une solution d'eau et d'un tensioactif, un composé couramment trouvé dans les savons qui abaisse la tension superficielle des liquides. L'une des huiles se dissout plus facilement dans la solution de tensioactif, provoquant l'émission par ces gouttelettes d'un gradient chimique de molécules d'huile dans son environnement. Les gouttelettes sont repoussées par l'huile dissoute.
"Au départ, ce nuage d'huile autour des gouttelettes est fondamentalement symétrique et les gouttelettes ne bougent pas, " dit Caleb Meredith, un étudiant diplômé à Penn State et co-premier auteur de l'article. "Mais ce que nous avons découvert, c'est que les gouttelettes de proie peuvent en fait absorber une partie du pétrole libéré par les gouttelettes de prédateur, la mise en place d'un échange source-puits d'huile entre les gouttelettes. Lorsque les gouttelettes se rapprochent suffisamment, il crée une asymétrie dans le gradient chimique entre les deux gouttelettes et provoque le déplacement de la goutte prédatrice vers la proie, mise en place d'une poursuite."
La chasse aux paires de gouttelettes de bromooctane et d'éthoxynonafluorobutane forme des amas de gouttelettes actives plus gros avec des comportements de mouvement supplémentaires dans une solution aqueuse de tensioactif. Crédit :Laboratoire Zarzar/Chimie de la nature
L'asymétrie du gradient chimique du pétrole généré par la source et le puits provoque une différence de tension superficielle à la surface des gouttelettes du prédateur et de la proie. Le gradient amène la gouttelette de prédateur (source) à se déplacer vers la gouttelette de proie (puits). De la même manière, en raison de l'effet du gradient chimique émis par le prédateur, la proie est repoussée par le prédateur qui s'approche.
"L'un des résultats surprenants est que les deux gouttelettes d'huile n'ont pas besoin d'être chimiquement très différentes l'une de l'autre pour provoquer ce comportement, " a déclaré Zarzar. " Nous avons examiné une grande variété de compositions chimiques pour les huiles et les tensioactifs, ce qui nous a permis d'établir un ensemble de règles qui régissent ces interactions. Nous pouvons utiliser ces règles pour ajuster la force des interactions en contrôlant les compositions des huiles de gouttelettes ou du tensioactif."
L'équipe de recherche a également développé un modèle, qui est basé sur des mesures des vitesses de poursuite entre des paires individuelles de gouttelettes, a été en mesure de simuler avec précision le mouvement de nombreuses gouttelettes et de montrer comment elles s'organisent en grappes plus grandes qui se déplacent de différentes manières.
"Ils m'ont vraiment l'air d'être vivants parfois, " a déclaré Meredith. "Lorsque plusieurs gouttelettes se rassemblent en grappes, elles peuvent commencer à tourner, arrêt et départ, se déplacer en spirales, et même divisés en grappes plus petites."
Les chercheurs disent qu'en comprenant les types de règles qui régissent ces interactions, leur système pourrait éventuellement être utilisé pour modéliser expérimentalement des systèmes à plusieurs corps allant du comportement d'un grand nombre d'animaux aux interactions qui auraient pu jouer un rôle dans l'évolution de la petite enfance.
"Ce que nous faisons est vraiment basique, recherche fondamentale où la motivation est de comprendre les processus à l'œuvre qui peuvent contrôler l'activité des choses inanimées comme les gouttelettes d'huile, " dit Zarzar. " Mais, ces idées pourraient trouver une application dans d'autres domaines, comme l'auto-assemblage, comportements de groupe, et même en pensant aux origines de la vie sur Terre où des mélanges de composants chimiques simples devaient d'une manière ou d'une autre s'organiser en structures hors d'équilibre. Clairement, nous ne regardons pas les mêmes produits chimiques, mais nous pouvons être en mesure d'établir des paramètres ou des conditions qui, par exemple, donner lieu à des types d'interactions similaires qui se sont produits.
