Un nouveau modèle développé par des scientifiques de l'Institut Max Planck pour la dynamique et l'auto-organisation (MPI-DS) étend la théorie de la séparation de phase élastique aux structures nanoscopiques. De tels motifs sont fréquents dans les systèmes biologiques et également utilisés en nano-ingénierie pour créer des couleurs structurelles. Grâce à leurs nouvelles connaissances, les scientifiques peuvent prédire l’échelle de longueur des motifs nanoscopiques et ainsi les contrôler pendant la production. Le modèle est publié dans la revue Physical Review X .
Des modèles structurels bien définis se retrouvent partout dans les systèmes biologiques. Un exemple bien connu est la coloration des plumes des oiseaux et des ailes des papillons, qui repose sur la disposition régulière de structures nanoscopiques, appelée couleur structurelle. De tels motifs se forment souvent par séparation de phases.
Différents composants se séparent les uns des autres, de la même manière que l’huile se sépare de l’eau. Cependant, on ne sait toujours pas comment la nature crée des motifs bien définis conduisant à de telles couleurs. Généralement, la fabrication de matériaux synthétiques à une échelle submicronique est un défi courant.
Une façon de contrôler les structures réalisées par séparation de phases repose sur l'élasticité :les déformations des matériaux sont bien décrites par la théorie de l'élasticité à des échelles macroscopiques, par exemple, pour expliquer comment un morceau de caoutchouc se déforme sous l'effet d'une force. Cependant, à l'échelle nanoscopique, les matériaux ne sont plus homogènes et la description macroscopique du matériau est insuffisante.
Au lieu de cela, la disposition réelle des molécules est importante. De plus, la déformation d’un matériau nécessite de l’énergie, ce qui empêche de grandes déformations. Les gouttelettes individuelles formées par séparation de phases ne peuvent donc pas croître indéfiniment. En fonction de leur disposition, un motif régulier peut émerger.
Les scientifiques dirigés par David Zwicker, chef du groupe de recherche Max Planck « Théorie des fluides biologiques » au MPI-DS, ont développé un modèle pour aborder cet aspect. Ils ont proposé une théorie basée sur l'élasticité non locale pour prédire la formation de motifs par séparation de phases.
"Grâce à notre nouveau modèle, nous pouvons désormais prendre en compte l'aspect supplémentaire pertinent pour décrire le système", explique Zwicker. "Modéliser tous les composants moléculaires avec des détails atomiques dépasserait la puissance de calcul. Au lieu de cela, nous avons étendu la théorie existante vers des structures plus petites comparables à la taille du maillage", explique-t-il.
La nouvelle théorie prédit comment les propriétés des matériaux affectent le motif formé. Il peut ainsi aider les ingénieurs à créer des structures nanoscopiques spécifiques, suivant les principes physiques d'auto-organisation que la nature exploite.
Plus d'informations : Yicheng Qiang et al, L'élasticité non locale produit des modèles d'équilibre dans les systèmes de séparation de phases, Physical Review X (2024). DOI : 10.1103/PhysRevX.14.021009
Informations sur le journal : Examen physique X
Fourni par la Société Max Planck
