Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient utiliser des pinces similaires aux pinces optiques (des lasers hautement focalisés pouvant être utilisés pour déplacer des atomes et d'autres matériaux microscopiques et submicroscopiques) pour manipuler les défauts topologiques des fluides et contrôler la façon dont ces fluides actifs s'écoulent. L'étude, dirigée par le physicien de l'UM Suraj Shankar, est publiée dans les Actes de l'Académie nationale des sciences. .

Vous pouvez imaginer un fluide actif comme une volée d’oiseaux, explique Shankar. Dans un murmure, un énorme nuage d'étourneaux, les oiseaux se tordront et se retourneront à l'unisson, dessinant les formes du nuage. Mais même si le murmure semble se déplacer comme un seul organisme, le mouvement est constitué d'oiseaux individuels propulsés par leurs ailes individuelles.

De même, les fluides actifs sont composés de composants individuels comme des bactéries dans l'eau ou des atomes dans un cristal, mais chaque unité se déplace d'elle-même si elle est éclairée par la lumière ou si elle reçoit de la « nourriture » via une réaction chimique, selon Shankar. Les chercheurs ont déjà conçu des bactéries de telle sorte que lorsqu'ils éclairent les bactéries, certaines bactéries présentes dans le liquide nagent plus rapidement et d'autres nagent plus lentement.

"Et vous pouvez modifier ce motif à votre guise. En modifiant la vitesse à laquelle les bactéries nagent localement, vous pouvez peindre les visages de personnes célèbres, ou le modifier et créer un paysage", a déclaré Shankar, professeur adjoint de physique à l'UM.

"Étant donné que ces plates-formes expérimentales existent et que nous sommes désormais capables de manipuler ces matériaux en contrôlant la vitesse à laquelle les objets se déplacent, nous avons demandé :pouvons-nous développer un cadre dans lequel nous pouvons contrôler les vitesses locales des objets qui composent les fluides actifs ? afin que nous puissions les contrôler de manière systématique ?"

L'équipe de recherche comprend également les co-auteurs Cristina Marchetti et Mark Bowick de l'Université de Californie à Santa Barbara et Luca Scharrer, qui ont mené une grande partie de la recherche en tant qu'étudiant de premier cycle à l'UCSB.

L’équipe s’est concentrée sur un fluide actif populaire appelé fluide nématique, composé de cristaux liquides, le même type de cristaux liquides qui composent les écrans des smartphones, des tablettes et des ordinateurs. Ces cristaux liquides sont des fluides composés de longues molécules qui peuvent s'aligner et s'ordonner comme des allumettes dans une boîte d'allumettes ou des bûches de bois empilées et coulant dans une rivière, explique Shankar.

Mais lorsqu'ils sont entraînés par des réactions chimiques, ces fluides nématiques deviennent actifs et ont la capacité de pomper du fluide, ce qui leur permet de se déplacer sans forces ni gradients de pression appliqués de l'extérieur.

Shankar et ses collègues ont utilisé cette caractéristique et appliqué les principes mathématiques de symétrie, de géométrie et de topologie pour développer des principes de conception qui permettront aux chercheurs de contrôler la trajectoire des cristaux individuels dans les fluides nématiques.

Leurs méthodes reposent sur des différences dans la manière dont ces objets en forme de bâtonnets s’alignent dans le liquide. Ils peuvent être mal alignés à certains endroits, ce qui entraîne une courbure des cristaux liquides autour du point de désalignement, comme un tourbillon dans une rivière.

Cela crée différents motifs dans le fluide, semblables aux crêtes de vos empreintes digitales, explique Shankar. Dans les cristaux liquides, il y a des points où la ligne de cristaux se courbe et ressemble à une comète, ou forme un symbole qui ressemble au logo Mercedes.

Si vous ajoutez de l'énergie au système et rendez le fluide actif, ces modèles, appelés défauts topologiques, prennent vie.

"Ces modèles commencent à bouger et ils entraînent et remuent le fluide, presque comme s'il s'agissait de véritables particules", a déclaré Shankar. "Contrôler ces modèles individuels associés aux défauts semble être une tâche plus simple que de contrôler chaque composant microscopique d'un fluide."

Le projet a débuté lorsque Scharrer a développé des simulations pour modéliser l'écoulement de fluide actif et suivre l'emplacement des défauts topologiques, tentant de tester une hypothèse posée par Shankar et Marchetti. En montrant les résultats de sa simulation aux autres chercheurs, Scharrer et son équipe ont découvert comment ces réponses complexes pouvaient être expliquées mathématiquement et converties en principes de conception pour le contrôle des défauts.

Dans cette étude, Scharrer a créé des moyens de créer, déplacer et tresser des motifs topologiques à l’aide de ce qu’ils appellent des pinces topologiques actives. Ces pinces peuvent transporter ou manipuler ces défauts le long de trajectoires spatio-temporelles comme s’il s’agissait de particules, en contrôlant la structure et l’étendue des régions où l’activité chimique entraîne le pompage des fluides. Le mouvement résultant du fluide actif autour des tourbillons des défauts topologiques permet leur mouvement sans fin.

"Je pense que ce travail est un bel exemple de la façon dont la recherche motivée par la curiosité, comparée au travail axé sur les problèmes ou le profit, peut nous conduire dans des directions technologiques complètement inattendues", a déclaré Scharrer, aujourd'hui doctorant à l'Université de Chicago. /P>

"Nous avons lancé ce projet parce que nous étions intéressés par la physique fondamentale des défauts topologiques et sommes tombés par hasard sur une nouvelle façon de contrôler les fluides biologiques actifs et bio-inspirés. Si nous avions eu cet objectif final en tête dès le début, qui sait si nous avions trouvé quelque chose."

Les chercheurs démontrent également comment des modèles d'activité simples peuvent contrôler de grandes collections de défauts tourbillonnants qui entraînent continuellement des flux de mélange turbulents.

Shankar dit que même si le domaine est nouveau et que leur méthode est actuellement éprouvée à l'aide de modèles informatiques, un jour, les gens pourraient utiliser ce concept pour créer des systèmes de micro-tests à des fins de diagnostic ou pour créer de minuscules chambres de réaction. Une autre application potentielle pourrait être dans le domaine de la robotique douce ou des systèmes logiciels, dans lesquels les capacités informatiques pourraient être réparties dans des matériaux souples et flexibles.

"Ce sont des types de fluides inhabituels qui ont des propriétés très intéressantes, et ils posent des questions très intéressantes en physique et en ingénierie auxquelles nous pourrons, nous l'espérons, encourager d'autres à réfléchir", a déclaré Shankar.

"Compte tenu de ce cadre dans ce système que nous démontrons, nous espérons que d'autres pourront prendre des idées similaires et les appliquer à leur modèle et système préférés, et, espérons-le, faire d'autres découvertes tout aussi passionnantes."