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Les physiciens fabriquent des gouttelettes carrées et des réseaux liquides

Lorsque deux substances sont réunies, elles finissent par s’installer dans un état stable appelé équilibre thermodynamique; dans la vie de tous les jours, nous en voyons des exemples lorsque l’huile flotte au-dessus de l’eau et lorsque le lait se mélange uniformément au café. Des chercheurs de l’Université Aalto en Finlande voulaient perturber ce type d’état pour voir ce qui se passe – et s’ils peuvent contrôler le résultat.

«Les choses en équilibre ont tendance à être assez ennuyeuses», explique le professeur Jaakko Timonen, dont le groupe de recherche a réalisé de nouveaux travaux publiés dans Science Advances le 15 septembre. «Il est fascinant de déséquilibrer des systèmes et de voir si les structures hors équilibre peuvent être contrôlées ou être utiles. La vie biologique elle-même est un bon exemple de comportement vraiment complexe dans un groupe de molécules hors d’équilibre thermodynamique.

Dans leur travail, l’équipe a utilisé des combinaisons d’huiles avec différentes constantes diélectriques et conductivités. Ils ont ensuite soumis les liquides à un champ électrique.

« Lorsque nous activons un champ électrique sur le mélange, une charge électrique s’accumule à l’interface entre les huiles. Cette densité de charge cisaille l’interface hors de l’équilibre thermodynamique et en des formations intéressantes», explique le Dr Nikos Kyriakopoulos, l’un des auteurs de l’article. En plus d’être perturbés par le champ électrique, les liquides étaient confinés dans une mince feuille presque bidimensionnelle. Cette combinaison a conduit les huiles à se remodeler en diverses gouttelettes et motifs complètement inattendus.

Les gouttelettes de l’expérience pourraient être transformées en carrés et en hexagones à côtés droits, ce qui est presque impossible dans la nature, où les petites bulles et gouttelettes ont tendance à former des sphères. Les deux liquides pourraient également être amenés à former des réseaux interconnectés : des motifs de grille qui se produisent régulièrement dans les matériaux solides mais sont inconnus dans les mélanges liquides. Les liquides peuvent même être amenés à former un tore, une forme de beignet, qui était stable et conservait sa forme pendant que le champ était appliqué – contrairement à la nature, car les liquides ont une forte tendance à s’effondrer et à remplir le trou au centre. Les liquides peuvent également former des filaments qui roulent et tournent autour d’un axe.

« Toutes ces formes étranges sont causées et maintenues par le fait qu’elles sont empêchées de revenir à l’équilibre par le mouvement des charges électriques s’accumulant à l’interface », explique Geet Raju, le premier auteur de l’article.

L’un des résultats passionnants de ce travail est la capacité de créer des structures temporaires avec une taille contrôlée et bien définie qui peuvent être activées et désactivées avec une tension, un domaine que les chercheurs souhaitent explorer davantage pour créer des dispositifs optiques à tension contrôlée. . Un autre résultat potentiel est la capacité de créer des populations interactives de microfilaments et de microgouttelettes enroulés qui, à un certain niveau élémentaire, imitent la dynamique et le comportement collectif de micro-organismes comme les bactéries et les microalgues qui se propulsent à l’aide de mécanismes complètement différents.

La recherche a été menée au Département de physique appliquée du groupe de recherche Matière active, dirigé par le professeur Timonen. L’article Diversity of non-equilibrium patterns and emerge of activity in confined electrohydrodynamically driven liquids est publié en libre accès dans Science Advances, disponible gratuitement ici à partir du 15 septembre 2021 à 18h00 GMT : DOI 10.1126/sciadv.abh1642

/Diffusion publique. Ce matériel provient de l’organisation d’origine et peut être de nature ponctuelle, édité pour plus de clarté, de style et de longueur. Voir en entier ici.

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