Lorsque deux substances sont réunies, ils finiront par s'installer dans un état stable appelé équilibre thermodynamique; les exemples incluent l'huile flottant au-dessus de l'eau et le lait se mélangeant uniformément dans le café. Des chercheurs de l'Université Aalto en Finlande voulaient perturber ce type d'état pour voir ce qui se passe et s'ils peuvent contrôler le résultat.

"Les choses en équilibre ont tendance à être assez ennuyeuses, " dit le professeur Jaakko Timonen, dont le groupe de recherche a réalisé de nouveaux travaux publiés dans Avancées scientifiques le 15 septembre. "C'est fascinant de conduire des systèmes hors de l'équilibre et de voir si les structures hors équilibre peuvent être contrôlées ou être utiles. La vie biologique elle-même est un bon exemple de comportement vraiment complexe dans un groupe de molécules qui sont hors d'équilibre thermodynamique."

Dans leur travail, l'équipe a utilisé des combinaisons d'huiles avec différentes constantes diélectriques et conductivités. Ils ont ensuite soumis les liquides à un champ électrique.

"Quand on allume un champ électrique sur le mélange, charge électrique s'accumule à l'interface entre les huiles. Cette densité de charge cisaille l'interface hors de l'équilibre thermodynamique et en formations intéressantes, " explique le Dr Nikos Kyriakopoulos, l'un des auteurs de l'article. En plus d'être perturbé par le champ électrique, les liquides étaient confinés dans un mince, feuille presque bidimensionnelle. Cette combinaison a conduit les huiles à se remodeler en diverses gouttelettes et motifs complètement inattendus.

Les gouttelettes de l'expérience pourraient être transformées en carrés et en hexagones à côtés droits, ce qui est presque impossible dans la nature, où les petites bulles et gouttelettes ont tendance à former des sphères. Les deux liquides pourraient également être amenés à former des réseaux interconnectés :des motifs de grille qui se produisent régulièrement dans les matériaux solides mais sont inconnus dans les mélanges liquides. Les liquides peuvent même être amenés à former un tore, une forme de beignet, qui était stable et conservait sa forme pendant que le champ était appliqué - contrairement à la nature, car les liquides ont une forte tendance à s'effondrer et à remplir le trou au centre. Les liquides peuvent également former des filaments qui roulent et tournent autour d'un axe.

"Toutes ces formes étranges sont causées et entretenues par le fait qu'elles sont empêchées de se remettre en équilibre par le mouvement des charges électriques s'accumulant à l'interface, " dit Geet Raju, le premier auteur de l'article.

L'un des résultats passionnants de ce travail est la possibilité de créer des structures temporaires avec une taille contrôlée et bien définie qui peuvent être allumées et éteintes avec une tension, un domaine que les chercheurs souhaitent explorer davantage pour créer des dispositifs optiques à tension contrôlée. Un autre résultat potentiel est la capacité de créer des populations interactives de microfilaments et de microgouttelettes qui, à un certain niveau élémentaire, imiter la dynamique et le comportement collectif de micro-organismes comme les bactéries et les microalgues qui se propulsent en utilisant des mécanismes complètement différents.

La recherche a été menée au Département de physique appliquée dans le groupe de recherche Matière active, dirigé par le professeur Timonen. L'article "Diversity of non-equilibrium patterns and merge of activity in confined electrohydrodynamically driven liquids" est publié en libre accès dans Avancées scientifiques .