droite|vignette| Les modèles de particules autopropulsées prédisent que des comportements émergents robustes se produisent dans les essaims indépendamment du type d'animal qui forme l'essaim. Les physiciens utilisent le terme de particule autopropulsée, ou encore de particule automotrice, pour décrire un agent autonome qui convertit l'énergie de son environnement en un mouvement dirigé ou persistant. Les systèmes naturels qui ont inspiré l'étude et la conception de ces particules comprennent les êtres vivants qui marchent, nagent ou volent. D'autres systèmes biologiques sont les bactéries, les cellules, les algues et d'autres micro-organismes. Généralement, le terme de « particules autopropulsées » fait référence à des systèmes artificiels tels que des robots ou des particules spécialement conçues telles que les particules Janus nageuses, les nanotiges bimétalliques ou les nanomoteurs. Dans le cas de la propulsion dirigée, qui est entraînée par un gradient chimique, on parle de chimiotaxie. Cette dernière s'observe dans les systèmes biologiques, par exemple pour la détection du quorum par les bactéries et pour la détection de la phéromone par les fourmis, ainsi que dans les systèmes synthétiques, tel que la chimiotaxie des enzymes et des particules propulsées par des enzymes.
Aperçu Les particules autopropulsées interagissent entre elles, ce qui peut conduire à l'émergence de comportements collectifs. Ces comportements collectifs miment l'auto-organisation que l'on observe dans les nuées d'oiseaux, l'essaimage des insectes, la formation des troupeaux de moutons, etc.
Pour comprendre l'ubiquité de tels phénomènes, les physiciens ont développé un certain nombre de modèles de particules autopropulsées. Ces modèles prédisent que les particules autopropulsées partagent certaines propriétés au niveau du groupe, quel que soit le type d'animal (ou d'objet artificiel) constituant l'essaim. Trouver des modèles statistiques minimaux qui rendent compte de ces comportements est devenu un défi de la physique théorique.
Exemples
Systèmes biologiques La plupart des animaux peuvent être considérés comme des êtres autopropulsés : ils trouvent l'énergie dans leur nourriture et présentent diverses stratégies de locomotion, comme le vol, la marche ou en rampant. Les exemples les plus frappants de comportements collectifs dans ces systèmes sont les bancs de poissons, les nuées d'oiseaux, les troupeaux de moutons, mais également les foules humaines. À plus petite échelle, les cellules et les bactéries peuvent également être traitées comme des particules autopropulsées. Ces systèmes biologiques peuvent se propulser en fonction de la présence de chimioattractants. À une échelle encore plus petite, les moteurs moléculaires transforment l'énergie des adénosines triphosphates (ATP) en mouvement directionnel. Des travaux récents ont montré que même les enzymes se propulsent. De plus, il a été démontré qu'elles se déplacent préférentiellement vers les régions où la concentration de substrat est la plus élevée, un phénomène qui a été utilisé pour développer une technique de purification pour isoler des enzymes vivantes. De plus, des microparticules, telles que les vésicules, peuvent devenir autopropulsées lorsque certaines de leurs fonctions sont assurées par des enzymes. Les réactions catalytiques des enzymes dirigent les vésicules en fonction du gradient de substrat correspondants.
Systèmes artificiels vignette|400x400px| Un exemple de particule autopropulsée : une nanotige d'or-platine qui subit une autopropulsion dans du peroxyde d'hydrogène grâce à des forces électrophorétiques internes. Il existe une distinction entre les systèmes humides et les systèmes secs. Dans le premier cas, les particules « nagent » dans le fluide environnant ; dans le second cas les particules « marchent » sur un substrat.
Les particules colloïdales actives, appelées nanomoteurs, sont des exemples typiques d'autopropulsion humide. Les particules Janus sont des particules colloïdales comportant deux côtés différents, ayant des propriétés physiques ou chimiques différentes. Cette brisure de symétrie permet le mouvement de la particule Janus, en ajustant correctement l'environnement (généralement la solution environnante). Par exemple, les deux côtés de la particule Janus peuvent induire un gradient local de température, de champ électrique ou de concentration d'espèces chimiques. Ceci induit un mouvement de la particule le long du gradient sous l'effet de forces thermophorétique, électrophorétique ou diffusiophorétique, respectivement. Parce que les particules Janus consomment de l'énergie de leur environnement (catalyse de réactions chimiques, absorption de la lumière, etc.), le mouvement qui en résulte constitue un processus irréversible et les particules ne sont pas en équilibre. Voici quelques exemples de particules Janus :
Le premier exemple de particule autopropulsée artificielle à l'échelle du nanomètre ou du micromètre était une nanotige bimétallique or-platine développé par Sen et Mallouk. Dans une solution de peroxyde d'hydrogène, ce nanomoteur présente une réaction catalytique d'oxydo-réduction, induisant ainsi un écoulement de fluide le long de la surface par auto-diffusiophorèse. Un système similaire utilise une tige de cuivre-platine dans une solution de brome. Une autre particule Janus a été développée en enduisant la moitié d'une bille de polystyrène avec du platine. Ceci permet de diriger le mouvement des moteurs catalytiques lorsqu'ils sont proches d'une surface solide. Ces systèmes sont capables de déplacer les colloïdes actifs en utilisant des contraintes géométriques. Un moteur organométallique utilisant une microsphère d'or-silice : un catalyseur de Grubb est attaché à la moitié de la particule en silice et, placé dans une solution de monomère, il entraîne une polymérisation catalytique. Le gradient de concentration résultant à travers la surface propulse le moteur dans la solution. Des microparticules tournantes en platine : elles ont des rotations contrôlables en fonction de leur forme et de leur symétrie. Des gouttelettes d'huile Janus biphasiques : elles exhibent un mouvement autopropulsé. Plusieurs autres exemples sont décrits dans la page spécifique aux nanomoteurs.
Les grains marcheurs sont typiques des systèmes autopropulsés secs : les grains sont des disques de taille millimétrique reposant sur une plaque qui vibre verticalement. La plaque sert de source d'énergie et de quantité de mouvement. Les disques ont deux contacts avec la plaque : les « pieds » : un pied dur en forme d'aiguille à l'avant et un grand pied en caoutchouc souple à l'arrière. Lorsqu'ils sont secoués par la plaque, les disques se déplacent dans une direction préférentielle, définie par la symétrie polaire (tête-queue) des contacts. Ceci, combiné au bruit vibratoire, entraîne une marche aléatoire persistante.
Brisure de symétrie Une brisure de symétrie est une condition nécessaire pour les particules autopropulsées, car il doit exister une direction préférentielle pour que le déplacement puisse s'effectuer. Cependant, la brisure de symétrie peut ne pas provenir uniquement de la structure de la particule, mais de son interaction avec des champs électromagnétiques, en particulier si l'on tient compte des effets de retard. Cela peut être utilisé pour le mouvement phototactique de certaines nanoparticules, même lorsqu'elles ont un degré de symétrie élevé. En 2020, il a été théoriquement démontré que même des particules symétriques orientées de manière aléatoire (des nanodimères dans ce cas) pouvaient subir une force thermophorétique moyenne non nulle lorsqu'elles étaient éclairées depuis une direction donnée. En 2021, il a été démontré expérimentalement que des particules complètement symétriques (des micronageurs sphériques dans ce cas) subissaient une force thermophorétique nette lorsqu'elles étaient éclairées depuis une direction particulière.
Tourbillons En 2020, des chercheurs de l'Université de Leicester ont signalé un nouvel état, alors inconnu, de particules autopropulsées, qu'ils ont appelé « état tourbillonnaire ». L'état tourbillonnaire est constitué de « tourbillons », formés par des groupes de particules autopropulsées en orbite autour d'un centre de masse commun. Ces quasi-particules présentent un comportement surprenant : en réponse à une force extérieure, elles n'accélèrent pas et se déplacent avec une vitesse constante, proportionnelle à la force appliquée, tout comme des objets se déplaçant dans un milieu visqueux. Les tourbillons s'attirent et fusionnent pour former un tourbillon commun plus grand. La coalescence est un processus de décélération extrêmement lent, résultant en un état raréfié de quasi-particules immobiles. En plus de l'état tourbillonnaire, des états gazeux, liquide et solide ont été observés, en fonction des interactions entre particules et des forces d'auto-entraînement. Contrairement aux systèmes moléculaires, les états liquide et gazeux des particules autopropulsées ne coexistent pas Material was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.Swirlonic Super Particles: Physicists Baffled by a Novel State of Matter SciTechDaily, 11 February 2021..
Comportement collectif typique Les mouvements collectifs les plus typiques comprennent généralement la formation de structures auto-assemblées, telles que des grappes ou des regroupements organisés.
Le comportement émergent le plus important et le plus spectaculaire que l'on puisse observer à grande échelle dans les regroupements de particules autopropulsées est le mouvement collectif dirigé. Dans ce cas, toutes les particules se déplacent dans la même direction. En plus de cela, des structures spatiales peuvent apparaître au sein de l'assemblage, telles que des bandes, des tourbillons, des asters ou des amas mobiles.
Une autre classe de comportements à grande échelle inclut la formation spontanée d'agrégats et la séparation en une phase gazeuse et une phase liquide, un phénomène inattendu lorsque les particules autopropulsées ont une interaction purement répulsive. Cette séparation de phase a été appelée séparation de phase induite par la motilité.
Exemples de modélisation La modélisation des particules autopropulsée a été introduite en 1995 par Tamás Vicsek et al comme cas particulier du modèle Boids introduit en 1986 par Reynolds. Dans ce cas, les particules sont ponctuelles et se déplacent à une vitesse constante. À chaque incrément de temps, une particule adopte la direction moyenne du mouvement des autres particules dans son voisinage local convergence proofs for the SPP model..
Des simulations ont mis en évidence une « règle du voisin le plus proche » qui conduit finalement à ce que toutes les particules se regroupent ou se déplacent dans la même direction. Le comportement se produit même s'il n'y a pas de coordination centralisée, et même si les voisins de chaque particule changent constamment dans le temps.
Depuis la mise en évidence de la règle du voisin le plus proche, un certain nombre de modèles ont été élaborés, allant de la simple particule brownienne active à des modèles détaillés et spécialisés visant à décrire des systèmes et des situations spécifiques. Parmi les caractéristiques importantes de ces modèles, on peut citer :
Autopropulsion : en l'absence d'interaction, la vitesse des particules converge vers une valeur constante prescrite ; Interactions entre les corps : les particules peuvent être considérées comme des points (pas d'interaction de corps) comme dans le modèle de Vicsek. Alternativement, on peut inclure un potentiel d'interaction, attractif ou répulsif. Ce potentiel peut être isotrope ou non pour décrire des particules sphériques ou allongées ;