La physique

Le mouvement chaotique d'une collection de tiges moléculaires en mouvement actif peut être exploité pour faire tourner des hélices et des moulinets de taille millimétrique, selon de nouvelles expériences [1]. Le mouvement des tiges était entraîné par des moteurs moléculaires à propulsion chimique qui obligeaient les tiges voisines à se connecter et à se chevaucher. La capacité de convertir l'énergie de ces machines microscopiques en mouvement à grande échelle pourrait éventuellement être utilisée pour entraîner de petites pompes qui fonctionnent sans alimentation externe.

La matière active fait référence à un ensemble d'objets qui peuvent se déplacer par eux-mêmes via un processus consommateur d'énergie. Il se caractérise souvent par sa capacité à créer de l'ordre à partir du désordre. Par exemple, certaines bactéries isolées nagent dans aucune direction particulière, mais des chercheurs ont montré que ces bactéries peuvent collectivement faire tourner un engrenage microscopique en se cognant préférentiellement sur un côté des encoches de l'engrenage [2].

D'autres types de matière active présentent un mouvement collectif à travers un alignement d'éléments en forme de tige. Ce soi-disant comportement nématique actif est courant dans certains types de tissus biologiques, tels que les couches de cellules épithéliales allongées (voir Synopsis : Extension et contraction des cellules). Les éléments actifs s'alignent normalement les uns sur les autres, mais leurs mouvements individuels peuvent entraîner des régions de désalignement appelées défauts. Ces régions se forment et se déplacent de façon imprévisible. "L'un des aspects intrigants [de la nématique active] est que nous pouvons exploiter ce chaos généré en interne pour créer une sorte de mouvement cohérent", explique Zvonimir Dogic de l'Université de Californie à Santa Barbara.

Dogic et ses collègues ont réalisé une expérience avec un matériau nématique actif qui combine une protéine motrice moléculaire appelée kinésine avec des biopolymères en forme de bâtonnets appelés microtubules. À l'intérieur des cellules, les microtubules agissent comme des autoroutes le long desquelles les molécules de kinésine tirent la cargaison cellulaire. Dans une soupe concentrée de microtubules, une molécule de kinésine peut s'accrocher à deux microtubules voisins et faire glisser l'un sur l'autre. Ce comportement conduit à deux types de défauts dans les motifs d'alignement : les défauts "positifs" en forme de comète et les défauts "négatifs" triangulaires (où le signe est basé sur les orientations des microtubules autour du défaut).

Les chercheurs ont étudié les mouvements de ces deux types de défauts dans un réservoir cylindrique où le nématique actif était confiné aux deux dimensions d'une interface huile-eau. Dans le même réservoir, l'équipe a placé des objets flottants de plusieurs centaines de micromètres de large ayant une variété de formes, y compris un cercle, une étoile et un moulinet. Le nématique actif bousculait les objets symétriques comme le cercle et l'étoile mais sans induire de rotation nette. En revanche, le nématique actif faisait tourner les formes de moulin à vent à une vitesse d'environ 0,2 tour par minute.

Pour expliquer ces observations, l'équipe a suivi le mouvement des défauts dans le réservoir, révélant un comportement inattendu autour du moulinet : des défauts positifs se forment régulièrement juste derrière les pales du moulinet. Chaque défaut nouvellement formé a suivi une trajectoire similaire de brossage sur sa lame associée, puis de tir vers l'extérieur - un processus qui a induit la formation d'un nouveau défaut derrière la lame. Ce modèle cyclique a produit une force de rotation nette (couple) sur le moulinet. La vitesse moyenne des lames à leurs extrémités était d'environ 3 µm/s, soit environ la moitié de la vitesse moyenne des défauts. Dogic dit que ce rapport de vitesse est dans la même gamme générale que celui des éoliennes, dont les pointes peuvent se déplacer à 7 fois la vitesse moyenne du vent (même si la géométrie est différente).

Cependant, l'énergie de rotation générée était faible par rapport à la quantité d'énergie chimique que les molécules de kinésine brûlent. "Il y a beaucoup d'énergie qui est perdue, et on ne sait pas vraiment où elle est perdue", dit Dogic. Pourtant, il prévoit des applications potentielles en microfluidique, car un nématique actif pourrait générer un flux net dans un canal dont les parois sont recouvertes de protubérances en forme de lame. L'avantage ici serait que le pompage serait autosuffisant - aucune alimentation extérieure n'aurait besoin d'être fournie, dit Dogic.

"Cette recherche représente une belle union de géométrie fondamentale et de topologie qui donne vie à la capacité d'exploiter des matériaux actifs anisotropes pour alimenter des dispositifs", déclare Kathleen Stebe, chercheuse sur les fluides complexes à l'Université de Pennsylvanie. "La matière active est en train de devenir un domaine mature", déclare Seth Fraden, spécialiste de la matière molle, de l'Université Brandeis dans le Massachusetts. Les théoriciens ont modélisé des expériences similaires, mais il y a eu peu de tests expérimentaux, dit-il. "Le défi pour la théorie posé par ce travail est de reproduire les phénomènes décrits ici, puis de prédire les formes d'engrenages qui extraient le travail maximal des fluides actifs turbulents."

–Michael Schirber

Michael Schirber est rédacteur en chef correspondant pour Physics Magazine basé à Lyon, France.

Sattvic Ray, Jie Zhang et Zvonimir Dogic

Phys. Rév. Lett. 130, 238301 (2023)

Publié le 9 juin 2023

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