Une équipe de physiciens a découvert des cristaux rotatifs inhabituels composés de particules tournoyantes qui présentent des comportements ressemblant à la matière vivante, tels que se tordre au lieu de s'étirer et se réassembler après rupture. Ces matériaux, régis par des interactions transversales, défient les règles conventionnelles de croissance des cristaux. Les résultats, publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, suggèrent des applications potentielles en technologie et en biologie.
Des physiciens des universités d'Aix-la-Chapelle, de Düsseldorf et de Mayence en Allemagne, et de la Wayne State University à Détroit, aux États-Unis, ont exploré des cristaux composés de particules rotatives. Ces solides présentent des propriétés étranges, y compris la capacité à se diviser en fragments, à former des joints de grain inhabituels et à montrer des défauts structurels contrôlables. La recherche, détaillée dans une étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, introduit un cadre théorique pour prédire les comportements dans les systèmes avec des interactions transversales.
Les forces transversales, qui agissent perpendiculairement à la ligne reliant les centres des particules, font tourner les objets les uns autour des autres. Contrairement aux forces centrales comme la gravité, ces interactions mènent à une rotation spontanée. De telles forces apparaissent à la fois dans des matériaux synthétiques, comme certains solides magnétiques, et dans des systèmes biologiques. Par exemple, des expériences au Massachusetts Institute of Technology ont observé des embryons d'étoiles de mer tournant les uns autour des autres par des mouvements de nage coordonnés.
Le professeur Dr. Hartmut Löwen de l'Université Heinrich Heine de Düsseldorf a noté : « Un système de nombreux éléments constituants rotatifs présente un comportement qualitativement nouveau et non intuitif : À hautes concentrations, ces objets forment un corps solide de rotors, qui possèdent des propriétés matérielles 'étranges'. » Une propriété clé est l'élasticité étrange, où tirer sur le matériau le fait tourner plutôt que s'étirer.
Les cristaux peuvent se désintégrer lorsque les blocs de construction rotatifs se frottent intensément, se brisant en cristallisats tournoyants plus petits. Remarquablement, ces fragments peuvent se réassembler plus tard en une structure cohérente. Un modèle théorique multi-échelle développé par l'équipe, dirigée par le professeur Dr. Zhi-Feng Huang de la Wayne State University et le professeur Löwen, a simulé ces dynamiques.
Contrairement à la croissance typique des cristaux, les grands cristaux sous interactions transversales se brisent en unités plus petites, tandis que les plus petits grandissent jusqu'à une taille critique. Le professeur Huang a expliqué : « Nous avons découvert une propriété fondamentale de la nature sous-jacente à ce processus qui détermine la relation entre la taille des fragments critiques et leur vitesse de rotation. »
Le co-auteur de l'étude, professeur Dr. Raphael Wittkowski de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle et de l'Institut DWI -- Leibniz pour les Matériaux Interactifs, a ajouté : « Nous avons en outre démontré comment les défauts dans les cristaux présentent leurs propres dynamiques. La formation de tels défauts peut être influencée de l'extérieur, ce qui permet de contrôler spécifiquement les propriétés des cristaux en vue d'applications d'usage. »
Le co-auteur Dr. Michael te Vrugt de l'Université de Mayence a déclaré : « Notre théorie à large portée englobe tous les systèmes présentant de telles interactions transversales. Les applications concevables vont de la recherche en colloïdes à la biologie. » Le professeur Löwen a mis en lumière les usages potentiels : « Les calculs du modèle indiquent un potentiel d'application concret. Les nouvelles propriétés élastiques de ces nouveaux cristaux pourraient être exploitées pour inventer de nouveaux éléments de commutation techniques, par exemple. »