Une équipe internationale dirigée par le professeur Yilin Wu, Le professeur agrégé du Département de physique de l'Université chinoise de Hong Kong (CUHK) a réalisé une nouvelle avancée conceptuelle dans le domaine de la science de la matière active. L'équipe a découvert une nouvelle voie dans laquelle l'auto-organisation des fluides actifs dans l'espace et le temps peut être contrôlée par une propriété matérielle unique appelée viscoélasticité. Cette nouvelle découverte pourrait ouvrir la voie à la fabrication d'une nouvelle classe d'appareils et de matériaux autonomes, tels que la capacité de contrôler le mouvement rythmique des robots mous sans compter sur des circuits électroniques, et pour l'étude de la physiologie microbienne. Il a été publié dans la revue scientifique La nature .

Un domaine en pleine croissance et interdisciplinaire, les systèmes d'études scientifiques de la matière active sont constitués d'unités où l'énergie est dépensée localement pour générer un travail mécanique. La matière active comprend tous les organismes vivants des cellules aux animaux, des biopolymères entraînés par des moteurs moléculaires, et des matériaux synthétiques automoteurs. Les principes d'auto-organisation (le processus de production de structures ordonnées via l'interaction entre des unités individuelles) tirés de ces systèmes peuvent trouver des applications dans l'ingénierie tissulaire et dans la fabrication de nouveaux dispositifs ou matériaux bio-inspirés.

L'étude a été conçue par le professeur Wu et son ancien doctorat. l'étudiant Song Liu (actuellement stagiaire postdoctoral à l'Institute for Basic Science en Corée). Ils ont un intérêt à long terme pour comprendre les phénomènes physiques d'auto-organisation dans la matière active biologique, en mettant l'accent sur les fluides actifs constitués de micro-organismes mobiles. Dans un article précédent en collaboration avec des physiciens étrangers publié dans La nature en 2017, ils ont signalé un mécanisme de synchronisation faible pour l'oscillation collective biologique, dans lequel un ordre temporel robuste émerge d'un grand nombre de trajectoires erratiques mais faiblement couplées de cellules individuelles dans des suspensions bactériennes. Cependant, le contrôle simultané de l'ordre spatial et temporel est plus difficile.

Dans la nouvelle étude, l'équipe de recherche du CUHK a trouvé des indices sur la viscoélasticité, une propriété commune des fluides complexes qui ont à la fois des réponses fluides et solides sous déformation. En manipulant la viscoélasticité d'un fluide actif bactérien avec des polymères d'ADN, l'équipe a découvert des phénomènes spectaculaires. Le fluide actif bactérien s'auto-organise d'abord dans l'espace en un vortex tournant à l'échelle millimétrique, affiche ensuite l'organisation temporelle lorsque le vortex géant change périodiquement de chiralité globale avec une fréquence réglable, comme un pendule de torsion automoteur. L'équipe a estimé que ces phénomènes frappants peuvent éventuellement résulter de l'interaction entre le forçage actif et la relaxation des contraintes viscoélastiques. La relaxation viscoélastique se produit sur une échelle de temps correspondant à la transition des réponses de type solide à celles de type fluide lorsqu'un fluide complexe est déformé.

Pour mieux comprendre les phénomènes observés, les chercheurs du CUHK se sont associés aux physiciennes théoriciennes Cristina Marchetti, Professeur de l'Université de Californie, Santa Barbara et son ancien doctorat. étudiant Suraj Shankar, maintenant membre junior de l'Université Harvard. Les deux théoriciens ont développé un modèle de matière active qui couple l'activité bactérienne, contrainte élastique polymère, et les champs de vitesse bactérienne et de polarisation. L'analyse et les simulations informatiques du modèle reproduisent tous les principaux résultats expérimentaux, et expliquer également l'apparition de l'ordre spatial et temporel en termes de compétition entre les échelles de temps de relaxation viscoélastique et de forçage actif.

Ces nouvelles découvertes démontrent expérimentalement pour la première fois que la viscoélasticité des matériaux peut être exploitée pour contrôler l'auto-organisation de la matière active. Il alimentera le développement de la physique hors équilibre et pourrait ouvrir la voie à la fabrication d'une nouvelle classe de dispositifs et de matériaux auto-pilotés adaptatifs. Par exemple, lorsqu'il est couplé à des systèmes d'actionnement de robots mous, le vortex réglable et auto-oscillant à l'échelle millimétrique peut être utilisé comme un « générateur d'horloge » qui fournit des signaux de synchronisation pour le pompage microfluidique programmé et pour contrôler le mouvement rythmique de robots mous, sans compter sur des circuits électroniques. De plus, les bactéries présentes dans les biofilms et le tractus gastro-intestinal des animaux nagent souvent dans des fluides viscoélastiques abondants en polymères à longue chaîne. Les nouvelles découvertes suggèrent également que la viscoélasticité de l'environnement peut modifier les modèles de mouvement collectif des bactéries, influençant ainsi la dispersion des biofilms et la translocation du microbiome intestinal.