Un champ électrique transforme une suspension de nanoparticules d’oxyde de fer en un modèle pour l’émergence de structures dissipatives complexes.
Des chercheurs de l’Université Aalto ont montré qu’une suspension de nanoparticules peut servir de modèle simple pour étudier la formation de motifs et de structures dans des systèmes hors équilibre plus complexes, tels que les cellules vivantes. Le nouveau système sera non seulement un outil précieux pour l’étude des processus de modelage, mais il a également un large éventail d’applications technologiques potentielles.
Le mélange est constitué d’un liquide huileux porteur de nanoparticules d’oxyde de fer, qui se magnétisent dans un champ magnétique. Dans les bonnes conditions, l’application d’une tension aux bornes de ce ferrofluide fait migrer les nanoparticules, formant un gradient de concentration dans le mélange. Pour que cela fonctionne, le ferrofluide doit également inclure du docusate, un produit chimique cireux qui peut transporter une charge à travers le fluide.
Les chercheurs ont découvert que la présence de docusate et d’une tension aux bornes du ferrofluide entraînait une séparation des charges électriques, les nanoparticules d’oxyde de fer devenant chargées négativement. « Nous ne nous attendions pas du tout à cela », déclare Carlo Rigoni, chercheur postdoctoral chez Aalto. « Nous ne savons toujours pas pourquoi cela se produit. En fait, nous ne savons même pas si les charges se séparent déjà lorsque le docusat est ajouté ou si cela se produit dès que la tension est mise sous tension.
Photographies et micrographies montrant les différents modèles présentés par l’électroferrofluide : modèles d’équilibre dans le champ magnétique uniquement (à gauche) et modèles de non-équilibre créés sous une combinaison de champs électriques et magnétiques (à droite). Crédit : Groupe de recherche Active Matter dirigé par le professeur Timonen/Aalto University
Pour refléter la nouvelle sensibilité aux champs électriques, les chercheurs appellent le fluide un électroferrofluide au lieu de simplement un ferrofluide. Cette réactivité électrique provoque la migration des nanoparticules, et les différences résultantes dans la concentration des nanoparticules modifient la réactivité magnétique de l’électroferrofluide.
En conséquence, l’application d’un champ magnétique à travers l’électroferrofluide modifie la distribution des nanoparticules, le motif précis dépendant de la force et de l’orientation du champ magnétique. En d’autres termes, la distribution des nanoparticules est instable, passant d’un état à un autre, entraînée par un petit changement dans le champ magnétique externe. La combinaison de la tension et du docusate a transformé le fluide d’un système d’équilibre en un système hors d’équilibre qui nécessite un apport d’énergie constant pour maintenir son état – un système dissipatif.
Ces dynamiques inattendues rendent les électroferrofluides particulièrement intéressants tant sur le plan scientifique qu’en termes d’applications potentielles. « Les ferrofluides ont attiré l’attention des scientifiques, des ingénieurs et des artistes depuis leur découverte dans les années 1960. Maintenant, nous avons trouvé une approche vraiment facile pour contrôler leurs propriétés magnétiques à la volée simplement en appliquant une petite tension pour conduire le fluide hors de l’équilibre thermodynamique. Cela permet un tout nouveau niveau de contrôle des propriétés des fluides pour les applications technologiques, la complexité de la formation des motifs et peut-être même de nouvelles approches artistiques », explique Jaakko Timonen, professeur de physique expérimentale de la matière condensée à Aalto, qui a supervisé la recherche.
« La conduite dissipative est le mécanisme général qui crée les motifs et les structures tout autour de nous », explique Rigoni. « La vie est un exemple. Les organismes doivent continuellement dissiper de l’énergie à leur état ordonné, et c’est également vrai pour la grande majorité des modèles et des structures dans les écosystèmes.
Rigoni explique que cette découverte fournit un système modèle précieux pour les chercheurs qui tentent de comprendre les systèmes dissipatifs et la formation de motifs qu’ils sous-tendent, que ce soit sous la forme d’organismes vivants ou de systèmes complexes non vivants.
« La plupart des systèmes dissipatifs sont très complexes. Par exemple, il est très difficile de réduire les structures vivantes à un ensemble de paramètres simples qui pourraient expliquer l’émergence de certaines structures », explique Rigoni. Le ferrofluide commandé en tension peut être utilisé pour étudier la transition vers un système dissipatif et comprendre comment des influences externes, telles qu’un champ magnétique, interagissent avec le système pour générer ou modifier des structures. “Cela pourrait nous donner des indices sur la façon dont les structures dissipatives sont créées dans des contextes plus complexes”, explique Rigoni.
En plus de sa valeur dans la recherche fondamentale, la découverte a également des applications pratiques potentielles. La capacité de contrôler le motif et la distribution des nanoparticules est précieuse dans une gamme de technologies, telles que les grilles optiques et les écrans à encre électronique, et la très faible consommation d’énergie rend cette approche particulièrement attrayante. « Cette recherche initiale portait principalement sur la science fondamentale, mais nous avons déjà commencé des travaux axés sur les applications », explique Rigoni.
Référence : « Electroferrofluids with nonequilibrium voltage-control magnetism, diffuse interfaces, and patterns » par Tomy Cherian, Fereshteh Sohrabi, Carlo Rigoni, Olli Ikkala et Jaakko VI Timonen, 22 décembre 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.abi8990
