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Malgré son importance, la chiralité était jusqu'à présent absente des descriptions théoriques de la matière active en interaction. Une équipe de recherche a désormais comblé cette lacune. Les résultats ont été publiés dans Advanced Science.
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité
La science est un métier exigeant. Elle a pour objectif de comprendre dans les moindres détails le monde qui nous entoure et les principes qui régissent la nature. Ce n'est qu'en apprenant le plus possible sur ces processus que nous pouvons utiliser ces connaissances de manière judicieuse, par exemple pour développer des médicaments, optimiser des matériaux ou concevoir de nouveaux types d'ordinateurs. La théorie précède généralement l'expérience : les modèles théoriques prédisent ce à quoi les scientifiques peuvent s'attendre plus tard en laboratoire.
Reza Shaebani, professeur suppléant de physique théorique à l'université de la Sarre, a développé, en collaboration avec une équipe de recherche internationale, un modèle qui explique comment la chiralité influence le comportement des objets dans un « système actif ». Le physicien explique ce que cela signifie : « La matière active – des cellules migrantes et des volées d'oiseaux aux micro-nageurs synthétiques s – est constituée d'unités qui absorbent de l'énergie et se déplacent ainsi. Ces systèmes sont souvent traités comme si leurs composants se déplaçaient de manière symétrique. En réalité, cependant, la chiralité est une propriété générale de la matière active : les particules actives vivantes et artificielles présentent toutes deux une certaine chiralité et un sens de rotation préférentiel dans leur mouvement. Malgré cette omniprésence, on savait jusqu'à présent peu de choses sur le rôle joué par la chiralité dans les interactions entre particules actives. »
La nouvelle étude comble cette lacune et montre que la dynamique de la matière active avec chiralité est beaucoup plus diversifiée et complexe qu'on ne le pensait jusqu'à présent. Qu'ont fait exactement les scientifiques pour parvenir à cette conclusion ? « Dans nos simulations, nous avons placé des objets dans un fluide actif dans lequel les particules individuelles du fluide suivent un mouvement chiral spécifique. Ces objets ajoutés ont réagi différemment à la chiralité en fonction de leur forme », explique le physicien Reza Shaebani. Lorsqu'ils ont renforcé la chiralité dans leurs simulations, alors que le fluide était composé de particules isotropes (plutôt « sphériques »), les particules isotropes sont passées d'un essaim tournant dans son ensemble à des « spinners » (de l'anglais « spin » = rotation) tournant isolément autour de leur propre axe.
Cependant, dans un liquide composé de particules anisotropes et allongées, il se produit quelque chose d'étonnant : des structures tourbillonnantes se forment spontanément autour des objets intégrés. À partir d'une certaine chiralité optimale, des tourbillons particulièrement prononcés apparaissent. Si les objets ajoutés sont proches les uns des autres, ces tourbillons peuvent s'influencer et se perturber mutuellement, ce qui entraîne des collisions plus fréquentes. Ces collisions provoquées par les tourbillons ne sont pas seulement intéressantes sur le plan esthétique, elles ont également une importance physique. Dans des conditions optimales, les forces qui en résultent peuvent être plusieurs ordres de grandeur plus fortes que dans les systèmes non chiraux, dans lesquels les particules individuelles du liquide se déplacent sans sens de rotation particulier. « La chiralité agit ainsi comme un amplificateur caché de l'activité mécanique d' s dans les matériaux vivants et synthétiques », résume Reza Shaebani. La puissance potentielle de ces forces induites par les fluctuations peut expliquer comment les systèmes biologiques réels – tels que le cytosquelette – peuvent générer des forces étonnamment importantes, capables par exemple de déplacer des organites ou de déformer des membranes cellulaires.
Outre ces découvertes fondamentales, l'étude ouvre la voie à de nouveaux principes de conception pour le développement de matériaux actifs. « La chiralité et la courbure générées de manière ciblée permettraient de contrôler la manière dont les particules s'organisent. Ou bien on pourrait séparer les composants de différentes chiralités. Les résultats pourraient soutenir la conception de micro-robots, de matériaux auto-organisés ou de systèmes bio-inspirés qui utilisent le mouvement chiral pour contrôler les forces et l'organisation à l'échelle microscopique », explique Reza Shaebani en esquissant les scénarios potentiels que sa découverte pourrait entraîner dans la pratique. L'étude a été soutenue par le SFB 1027 de l'université de la Sarre.
Publication originale :
H. Fatemi, H. Khalilian, J. Sarabadani et R. Shaebani, « Optimal Chirality Enhances Long-Range Fluctuation-Induced Interactions in Active Fluids ». Adv. Sci. (2025) : e09539. https://doi.org/10.1002/advs.202509539
Informations complémentaires :
Professeur par intérim Reza Shaebani,
Tél. : (0681) 3023964
E-mail : shaebani(at)lusi.uni-sb.de
