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Microrheology of two-dimensional active colloidal crystals and glasses

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Un pas de plus vers la synthèse d’un cristal capable de se mouvoir presque comme s’il était vivant

Une équipe de recherche européenne a créé des cristaux artificiels dopés avec des particules actives. Cette conception ouvre la voie à une nouvelle génération de matériaux «dynamiques» qui puisent de l’énergie dans leur environnement pour entretenir leurs propres mouvements.

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Les systèmes biologiques affichent des comportements collectifs qui sont à l’origine de prouesses étonnantes et de caractéristiques époustouflantes dans la nature. Malgré le caractère apparemment aléatoire des réactions individuelles, les bancs de poissons, les colonies de bactéries ou les nuées d’oiseaux sont capables d’avoir une réaction adaptative instantanée commune, c’est-à-dire d’établir une sorte de «consensus» entre les différents individus afin de s’organiser selon des schémas collectifs. Les exemples d’auto-organisation sont omniprésents dans la nature. Or, la meilleure manière de comprendre un phénomène est d’essayer de le reproduire soi-même, et la vie ne fait pas exception à cette règle. Le comportement collectif des essaims est plus facile à étudier dans les particules dites «actives» qu’à partir de la matière vivante. Des travaux expérimentaux récents ont montré comment la lumière incite des micromachines nageuses vivantes – des particules synthétiques – à se déplacer puis à se rassembler en groupes, un peu comme le font les oiseaux qui se réunissent pour ensuite voler de concert. Malgré les progrès réalisés dans ce domaine, les études se sont jusqu’à présent concentrées sur les colloïdes, des suspensions de particules, en milieu fluide. «On sait peu de choses sur le comportement des particules actives dans les phases colloïdales plus denses comme les structures cristallines et vitreuses. Les particules actives incorporées dans des structures de type solide pourraient servir d’éléments constitutifs prometteurs pour concevoir de nouveaux matériaux dynamiques et mobiles», explique Ivo Buttinoni, coordinateur du projet MicACol, financé par l’UE.

Observer comment les perles de Janus nagent dans les cristaux

Le projet a présenté des exemples de réseaux actifs en 2D, en explorant les forces critiques que les particules actives doivent surmonter pour rendre la structure cristalline mobile. Il est particulièrement difficile de convertir de l’énergie sous forme d’autopropulsion aux échelles micrométrique et nanométrique. «Alors que les objets macroscopiques utilisent l’inertie pour nager dans un fluide, les micro et nanoparticules se trouvant dans l’eau se comportent comme si elles étaient immergées dans un fluide extrêmement visqueux tel que le miel ou la maïzena, où l’inertie ne joue aucun rôle. Pour nager, les particules colloïdales doivent rompre la symétrie dite d’inversion du temps. Autrement dit, elles doivent posséder des propriétés asymétriques», souligne Ivo Buttinoni. Les particules sphériques dont la surface possède deux propriétés physiques distinctes, comme des billes à moitié enrobées, offrent un terrain d’essai idéal pour étudier cette violation de la symétrie. Les deux hémisphères de ces particules de Janus interagissent différemment avec le milieu environnant et établissent des gradients thermiques ou chimiques locaux. Les chercheurs de MicACol ont utilisé un système d’autopropulsion très répandu qui consiste à immerger des particules partiellement recouvertes de platine dans une solution d’eau et de peroxyde d’hydrogène. Les colloïdes ont été forcés à s’autopropulser en raison de la décomposition (catalysée) du peroxyde d’hydrogène par l’hémisphère recouvert de platine. Dans un premier temps, le projet a démontré que les particules sphériques exerçaient des forces répulsives à longue portée au niveau de l’interface entre les deux liquides. «Les particules autopropulsées ont agi comme si elles étaient entraînées par une force efficace proportionnelle à leur vitesse de déplacement libre dans l’eau. Nous envisageons que le même principe soit applicable à des structures plus complexes telles que les verres colloïdaux», ajoute Ivo Buttinoni.

Sortir de l’équilibre

À ce jour, la plupart des expériences consistent à ajouter des particules actives en tant qu’éléments intrusifs dans le réseau, occupant des positions aléatoires à l’écart des points réticulaires. L’expérience de MicACol a adopté une approche différente pour étudier la mécanique des particules dans un régime hors équilibre. «Notre objectif consistait à déterminer les forces critiques nécessaires pour déplacer les particules actives hors de leur position d’équilibre dans le réseau», explique Ivo Buttinoni. «Mesurer les forces locales (répulsives) revient à disposer d’un “bouton” supplémentaire pour contrôler le mouvement de cette sorte de micro-nageur dans le cristal. Nous savons ainsi quel type de particules actives nous devons ajouter pour que la structure cristalline soit active.» Même s’il est probable que les chercheurs de MicACol soient encore loin de synthétiser de la matière active artificielle solide, comme par exemple des matériaux 3D dynamiques/mobiles, ils sont toutefois sortis des sentiers battus habituels, en repoussant les limites de ce domaine de recherche.

Mots‑clés

MicACol, particules actives, colloïdes, cristal quasi vivant, auto-organisation, perles de Janus, auto-propulsion

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