Il y a une dizaine d'années, la découverte de la diffusion fickienne mais non gaussienne (FnGD) dans les matériaux mous et biologiques a brisé la célèbre image d'Einstein du mouvement brownien. À ce jour, un phénomène aussi intrigant est encore inexpliqué en raison des défis expérimentaux majeurs posés par la nature complexe et hétérogène des matériaux sous-jacents. Pour surmonter ces difficultés, des chercheurs de l'Université de Naples Federico II (Italie) ont désormais exploité la lumière à la place de la matière complexe pour créer un environnement hétérogène pour les particules se diffusant dans l'eau. L'oeuvre, maintenant publié dans Lettres d'examen physique , résulte d'une collaboration entre le groupe de Mécanique Statistique des Matériaux Mous au Département de Chimie, Génie des Matériaux et Production et le laboratoire de Spectroscopie Laser et Manipulation Optique au Département de Physique.

Dans cette expérience, un faisceau laser traverse un « modulateur spatial de lumière » à cristaux liquides donnant lieu à un motif lumineux hétérogène. Le motif lumineux est ensuite projeté sur un système de billes de verre de la taille d'un micron dans l'eau, agissant sur les particules comme un champ de force (forces optiques). Le "Spatial Light Modulator" permet de faire varier les propriétés du motif avec une grande précision et un contrôle numérique. En raison de l'interaction entre les forces optiques et les collisions thermiques avec les molécules d'eau, les perles explorent le motif lumineux comme si elles se déplaçaient sur une surface rugueuse. En réalité, la lumière est capable d'imiter la structure hétérogène des matériaux mous mais avec un contrôle et une reproductibilité beaucoup plus élevés par rapport aux matériaux "réels". L'équipe de recherche montre que ce dispositif expérimental est en effet capable de reproduire finement la phénoménologie de la FnGD sur une gamme d'échelles de temps et de probabilité de déplacement sans précédent, révélant également de nouvelles caractéristiques de ce phénomène.

Un effet mémoire de subdiffusion antérieure

La danse agitée des particules microscopiques due aux collisions thermiques avec les molécules de l'environnement fascine les chercheurs depuis la découverte du mouvement brownien, étant responsable de la diffusion, le mode de transport le plus important et le plus répandu. D'après les travaux d'Einstein sur le mouvement brownien standard, les pas de cette danse forment une marche aléatoire, ce qui implique que le déplacement quadratique moyen (MSD) des particules augmente linéairement dans le temps (Fickian) et que la distribution du déplacement est une gaussienne, comme le confirment une grande variété d'expériences. Inversement, marches corrélées (par exemple, constitués par des allers-retours) donnent lieu à une diffusion anormale, s'avère non-fickienne et non-gaussienne. Ainsi, On pensait que les comportements fickien et gaussien étaient intimement liés.

En 2009 au Granick's Lab (Université d'Urbana, Illinois), des expériences révolutionnaires sur des billes nanométriques dans des fluides biologiques complexes ont brisé ce scénario bien établi, révélant l'existence d'un nouveau type de diffusion qui se distingue à la fois du mouvement brownien standard et de la diffusion anormale, étant à la fois Fickien mais Non-Gaussien. Depuis, une telle diffusion fickienne mais non gaussienne a été trouvée dans une grande variété d'environnements hétérogènes, principalement des systèmes de matière molle.

La stratégie expérimentale maintenant élaborée à l'Université de Naples révèle que la FnGD est précédée d'une diffusion anormale antérieure (subdiffusion), et que les deux régimes sont étroitement liés. Ceci conduit à interpréter la FnGD comme un effet mémoire :la mémoire de diffusion anormale survit plus longtemps dans la distribution de déplacement que dans la MSD, conduisant à la coexistence temporaire de comportements fickiens et non gaussiens. Raffaele Pastore et ses collègues estiment que le système de modèle introduit ouvre la voie à des expériences étendues et finement ajustables sur FnGD. La possibilité de visualiser facilement un grand nombre de longues trajectoires dévoilera, espérons-le, les caractéristiques de la danse brownienne sous-jacente à la coexistence contre-intuitive de dynamiques fickiennes mais non gaussiennes.