Lorsque ces particules automotrices se rassemblent, elles peuvent s’organiser et se déplacer comme des bancs de poissons pour exécuter des fonctions robotiques. Crédit : Kyle Bishop Lab
Les ingénieurs de Columbia et de Northwestern utilisent des champs électriques pour induire des oscillations dans de minuscules particules ; ce mouvement pourrait être utilisé par les chercheurs pour développer des microrobots.
Une frontière difficile en science et en ingénierie consiste à contrôler la matière en dehors de l’équilibre thermodynamique pour construire des systèmes matériels avec des capacités qui rivalisent avec celles des organismes vivants. La recherche sur les colloïdes actifs vise à créer des « particules » à l’échelle micro et nanométrique qui nagent à travers des fluides visqueux comme des micro-organismes primitifs. Lorsque ces particules automotrices se rassemblent, elles peuvent s’organiser et se déplacer comme des bancs de poissons pour exécuter des fonctions robotiques, telles que la navigation dans des environnements complexes et la livraison de « cargos » à des emplacements ciblés.
Une équipe de Columbia Engineering dirigée par Kyle Bishop, professeur de génie chimique, est à la pointe de l’étude et de la conception de la dynamique des colloïdes actifs alimentés par des réactions chimiques ou par des champs magnétiques, électriques ou acoustiques externes. Le groupe développe des robots colloïdaux, dans lesquels des composants actifs interagissent et s’assemblent pour exécuter des fonctions dynamiques inspirées des cellules vivantes.
Dans une nouvelle étude publiée aujourd’hui par Lettres d’examen physique, groupe Bishop, travaillant avec des collaborateurs de Université du nord-ouestLe Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES), rapporte qu’ils ont démontré l’utilisation de champs électriques à courant continu pour entraîner la rotation en va-et-vient des microparticules dans les couches limites électriques. Ces oscillateurs de particules pourraient être utiles en tant qu’horloges qui coordonnent l’organisation de la matière active et même, peut-être, orchestrent les fonctions de robots à l’échelle du micron.
La recherche sur les colloïdes actifs vise à créer des « particules » à l’échelle micro et nanométrique qui nagent à travers des fluides visqueux comme des micro-organismes primitifs. Crédit : Kyle Bishop Lab
“De minuscules oscillateurs à particules pourraient permettre de nouveaux types de matière active qui combinent les comportements d’essaimage des colloïdes automoteurs et les comportements de synchronisation des oscillateurs couplés”, explique Bishop. « Nous nous attendons à ce que les interactions entre les particules dépendent de leurs positions et phases respectives, permettant ainsi des comportements collectifs plus riches, des comportements pouvant être conçus et exploités pour des applications en robotique en essaim. »
Faire une horloge fiable à l’échelle du micron n’est pas aussi simple qu’il y paraît. Comme on peut l’imaginer, les horloges à pendule ne fonctionnent pas bien lorsqu’elles sont immergées dans du miel. Leur mouvement périodique, comme celui de tous les oscillateurs inertiels, s’arrête sous une résistance suffisante du frottement. Sans l’aide de l’inertie, il est tout aussi difficile de piloter le mouvement oscillatoire de particules à l’échelle du micron dans des fluides visqueux.
“Notre récente observation de sphères colloïdales oscillant dans un champ électrique continu a présenté un peu de mystère, un mystère que nous voulions résoudre”, observe l’auteur principal de l’article, Zhengyan Zhang, doctorant au laboratoire de Bishop qui a découvert cet effet. “En faisant varier la taille des particules, l’intensité du champ et la conductivité des fluides, nous avons identifié les conditions expérimentales nécessaires aux oscillations et découvert le mécanisme sous-jacent à la dynamique rythmique des particules.”
Des travaux antérieurs ont démontré comment des particules similaires peuvent tourner régulièrement par un processus connu sous le nom de rotation de Quincke. Comme une roue à eau remplie d’en haut, l’instabilité de Quincke est entraînée par l’accumulation de charge électrique à la surface des particules et sa rotation mécanique dans le champ électrique. Cependant, les modèles existants de rotation de Quincke – et de roues hydrauliques suramorties – ne prédisent pas la dynamique oscillatoire.
Cette nouvelle étude caractérise et explique les oscillations « mystérieuses » par référence à une couche limite dans l’électrolyte apolaire. Au sein de cette couche, souvent ignorée des chercheurs, des porteurs de charge sont générés puis migrent sous l’influence du champ électrique. Ces processus introduisent des asymétries spatiales dans les taux d’accumulation de charges à la surface des particules. Comme une roue hydraulique dont les seaux fuient plus rapidement en haut qu’en bas, la charge asymétrique peut entraîner une rotation en va-et-vient à des intensités de champ élevées.
« Le taux de génération limité de charges dans ces électrolytes faibles crée une couche limite comparable à la taille d’une particule sous un fort champ électrique, comme l’a trouvé numériquement mon doctorant Hang Yuan, co-auteur de l’ouvrage. En conséquence, la « conductivité » des ions autour des particules qui se trouvent dans la grande couche limite n’est pas constante, ce qui conduit aux oscillations observées à de forts champs électriques », explique Monica Olvera de la Cruz, professeure Lawyer Taylor de science et ingénierie des matériaux, Chimie et (par courtoisie) Génie chimique et biologique, physique et astronomie à Northwestern Engineering.
“Ce travail montre un moyen de générer des oscillateurs, ce qui pourrait conduire à l’émergence de phénomènes coopératifs dans les fluides”, ajoute-t-elle.
L’équipe a expérimenté différentes formes de particules et a découvert qu’elles pouvaient générer des oscillations avec n’importe quelle particule, à condition que leur taille soit comparable à celle de la couche limite.
« En réglant l’intensité du champ et/ou l’électrolyte, nous pouvons contrôler de manière prévisible la fréquence de ces « horloges de Quincke », ajoute Bishop. “Notre article permet la conception de nouvelles formes de matière active basées sur des collections d’oscillateurs mobiles.”
L’équipe étudie actuellement les comportements collectifs qui émergent lorsque de nombreux oscillateurs Quincke se déplacent et interagissent les uns avec les autres.
Référence : « Quincke oscillations of colloids at planar électrodes » par Zhengyan Zhang, Hang Yuan, Yong Dou, Monica Olvera de la Cruz et Kyle J. M. Bishop, 23 juin 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.126.258001
Financement : Center for Bio-Inspired Energy Science, un centre de recherche Energy Frontier financé par le département américain de l’Énergie, Office of Science, prix des sciences fondamentales de l’énergie
