(Phys.org) -- Les chercheurs essayant de rassembler de minuscules particules dans des formations ordonnées utiles ont trouvé un allié improbable :l'entropie, une tendance généralement décrite comme un « désordre ».

Des simulations informatiques réalisées par des scientifiques et des ingénieurs de l'Université du Michigan montrent que la propriété peut pousser les particules pour former des structures organisées. En analysant au préalable les formes des particules, ils peuvent même prédire quels types de structures vont se former.

Les résultats, publié dans l'édition de cette semaine de Science , aider à établir les règles de base pour la fabrication de matériaux de conception avec des capacités sauvages telles que des peaux qui changent de forme pour camoufler un véhicule ou optimiser son aérodynamisme.

La physicienne et professeure de génie chimique Sharon Glotzer propose que de tels matériaux pourraient être conçus en travaillant en arrière à partir des propriétés souhaitées pour générer un plan. Cette conception peut ensuite être réalisée avec des nanoparticules, des particules mille fois plus petites que la largeur d'un cheveu humain qui peuvent se combiner d'une manière qui serait impossible par la seule chimie ordinaire.

L'un des défis majeurs est de persuader les nanoparticules de créer les structures prévues, mais des études récentes du groupe de Glotzer et d'autres ont montré que certaines formes de particules simples le font spontanément lorsque les particules sont entassées. L'équipe s'est demandé si d'autres formes de particules pouvaient faire de même.

"Nous avons étudié 145 formes différentes, et cela nous a donné plus de données que quiconque n'en a jamais eu sur ces types de cristalliseurs potentiels, " Glotzer SAID. " Avec tant d'informations, nous pourrions commencer à voir combien de structures sont possibles à partir de la seule forme des particules, et recherchez les tendances."

En utilisant un code informatique écrit par le chercheur en génie chimique Michael Engel, l'étudiant diplômé en physique appliquée Pablo Damasceno a mené des milliers d'expériences virtuelles, explorer comment chaque forme s'est comportée sous différents niveaux d'encombrement. Le programme peut gérer n'importe quelle forme polyédrique, comme des dés avec un nombre quelconque de côtés.

Livrés à eux-mêmes, les particules dérivantes trouvent les arrangements avec l'entropie la plus élevée. Cet arrangement correspond à l'idée que l'entropie est un désordre si les particules ont suffisamment d'espace :elles se dispersent, pointé dans des directions aléatoires. Mais bondé serré, les particules ont commencé à former des structures cristallines comme le font les atomes, même si elles ne pouvaient pas créer de liaisons. Ces cristaux ordonnés devaient être les arrangements à haute entropie, trop.

Glotzer explique qu'il ne s'agit pas vraiment de désordre créant de l'ordre :l'entropie a besoin d'une mise à jour de son image. Au lieu, elle le décrit comme une mesure des possibilités. Si vous pouviez désactiver la gravité et vider un sac plein de dés dans un bocal, les dés flottants pointaient dans tous les sens. Cependant, si vous continuez à ajouter des dés, finalement l'espace devient si limité que les dés ont plus d'options pour s'aligner face à face. La même chose arrive aux nanoparticules, qui sont si petits qu'ils ressentent l'influence de l'entropie plus fortement que celle de la gravité.

"Tout est question d'options. Dans ce cas, les arrangements ordonnés produisent le plus de possibilités, le plus d'options. C'est contre-intuitif, être sûr, " dit Glotzer.

Les résultats de la simulation ont montré que près de 70 pour cent des formes testées produisaient des structures cristallines sous la seule entropie. Mais le choc était la complexité de certaines de ces structures, avec jusqu'à 52 particules impliquées dans le motif qui se répète dans tout le cristal.

"C'est une structure cristalline extraordinairement complexe, même pour que des atomes se forment, sans parler des particules qui ne peuvent pas se lier chimiquement, " dit Glotzer.

Les formes des particules ont produit trois types de cristaux :des cristaux réguliers comme le sel, cristaux liquides comme on en trouve dans certains téléviseurs à écran plat et cristaux en plastique dans lesquels les particules peuvent tourner sur place. En analysant la forme de la particule et le comportement de ses groupes avant de cristalliser, Damasceno a dit qu'il est possible de prédire quel type de cristal les particules feraient.

"La géométrie des particules elles-mêmes détient le secret de leur comportement d'assemblage, " il a dit.

Pourquoi les 30 % restants n'ont jamais formé de structures cristallines, restant comme des verres désordonnés, est un mystère.

"Ceux-ci peuvent toujours vouloir former des cristaux mais se sont coincés. Ce qui est bien, c'est que pour toute particule qui se coince, nous en avons eu d'autres, des formes terriblement similaires formant des cristaux, " dit Glotzer.

En plus d'en savoir plus sur la façon d'amadouer des nanoparticules dans des structures, son équipe tentera également de découvrir pourquoi certaines formes résistent à l'ordre.