Nous avons rarement le temps d’écrire sur chaque histoire scientifique intéressante qui nous arrive. Ainsi, cette année, nous publions à nouveau une série spéciale d’articles sur les Douze jours de Noël, mettant en lumière une histoire scientifique qui est tombée entre les mailles du filet en 2023, chaque jour du 25 décembre au 5 janvier. Aujourd’hui : comment appliquer les forces magnétiques aux individus » Les particules micro-rouleaux stimulent le mouvement collectif, produisant des résultats assez contre-intuitifs.
Université Lehigh
Nous comprenons intuitivement que le sable qui coule à travers un sablier, par exemple, forme au fond un tas net en forme de pyramide, dans lequel les grains proches de la surface s’écoulent sur une base sous-jacente de particules stationnaires. Les avalanches et les dunes de sable présentent une dynamique similaire. Mais des scientifiques de l’Université Lehigh en Pennsylvanie ont découvert que l’application d’un couple magnétique peut en fait provoquer le déplacement collectif de particules ressemblant à du sable vers le haut, apparemment au mépris de la gravité, selon un article publié en septembre dans la revue Nature Communications.
Le sable est une matière assez fascinante du point de vue physique. C’est un exemple de matériau granulaire, puisqu’il agit à la fois comme un liquide et un solide. Le sable sec recueilli dans un seau se déverse comme un fluide, mais il peut supporter le poids d’une roche placée dessus, comme un solide, même si la roche est techniquement plus dense que le sable. Ainsi, le sable défie toutes ces équations bien ordonnées décrivant les différentes phases de la matière, et la transition d’un « liquide » fluide à un « solide » rigide se produit assez rapidement. C’est comme si les grains agissaient comme des individus sous forme fluide, mais étaient capables de se regrouper soudainement lorsque la solidarité est nécessaire, produisant une sorte d’effet étrange de « force du nombre ».
Les physiciens ne peuvent pas non plus prédire avec précision une avalanche. Cela est dû en partie au grand nombre de grains de sable, même dans un petit tas, dont chacun interagira simultanément avec plusieurs de ses grains voisins immédiats – et ces voisins se déplaceront d’un moment à l’autre. Même un superordinateur ne peut pas suivre les mouvements de grains individuels au fil du temps. La physique de l’écoulement dans les milieux granulaires reste donc un domaine de recherche vital.
Mais des grains de sable qui coulent collectivement vers le haut ? C’est tout simplement un comportement bizarre. James Gilchrist, ingénieur à l’Université de Lehigh, dirige le Laboratoire de mélange et d’auto-organisation des particules et est tombé sur ce phénomène étrange en expérimentant avec des « micro-rouleaux » : des particules de polymère recouvertes d’oxyde de fer (un processus appelé micro-encapsulation). Un jour, il faisait tourner un aimant sous une fiole de micro-rouleaux et a remarqué qu’ils commençaient à s’empiler vers le haut. Naturellement, lui et ses collègues ont dû enquêter plus en profondeur.
Pour leurs expériences, Gilchrist et al. attaché des aimants en néodyme à une roue motorisée à intervalles de 90 degrés, en alternant les pôles orientés vers l’extérieur. L’appareil comprenait également un porte-échantillon et un microscope USB en position fixe. Les micro-rouleaux ont été préparés en les mettant en suspension dans un flacon en verre contenant de l’éthanol et en utilisant un aimant pour les séparer de la poussière ou de toute particule non recouverte. Une fois les micro-rouleaux propres, ils ont été séchés, suspendus dans de l’éthanol frais et chargés sur le porte-échantillon. Un moteur vibrant agitait les échantillons pour produire des lits granulaires aplatis, et la roue motorisée était mise en mouvement pour appliquer un couple magnétique. Un gaussmètre mesurait l’intensité du champ magnétique par rapport à l’orientation.
Flux granulaire ascendant de microrouleaux microrobotiques. Crédit : Université Lehigh.
Les résultats : chaque micro-rouleau a commencé à tourner en réponse au couple magnétique, créant des paires qui se sont brièvement formées puis se sont divisées, et l’augmentation de la force magnétique a augmenté la cohésion des particules. Cela a donné aux micro-rouleaux plus de traction et leur a permis de se déplacer plus rapidement, travaillant de concert pour monter de manière contre-intuitive. En l’absence de ce couple magnétique, les miro-rollers coulaient normalement vers le bas. L’action induite par le couple était si inattendue que les chercheurs ont inventé un nouveau terme pour la décrire : un « angle de repos négatif » provoqué par un coefficient de frottement négatif.
« Jusqu’à présent, personne n’aurait utilisé ces termes », a déclaré Gilchrist. «Ils n’existaient pas. Mais pour comprendre comment ces grains montent, nous avons calculé quelles sont les contraintes qui les poussent à se déplacer dans cette direction. Si vous avez un angle de repos négatif, alors vous devez avoir une cohésion pour donner un coefficient de frottement négatif. Ces équations d’écoulement granulaire n’ont jamais été dérivées pour prendre en compte ces éléments, mais après calcul, il en ressort un coefficient de frottement apparent négatif.
Il s’agit d’une preuve de principe intrigante qui pourrait un jour conduire à de nouvelles façons de contrôler la façon dont les substances se mélangent ou se séparent, ainsi qu’à des applications potentielles de microrobotique en essaim. Les scientifiques ont déjà commencé à construire de minuscules escaliers avec des découpeuses laser et à filmer les micro-rouleaux montant et descendant les uns des autres. Un micro-rouleau ne peut pas surmonter la hauteur de chaque marche, mais plusieurs personnes travaillant collectivement peuvent le faire, selon Gilchrist.
DOI : Nature Communications, 2023. 10.1038/s41467-023-41327-1 (À propos des DOI).
Image de la liste par l’Université Lehigh