Les physiciens qui étudient la matière active – des matériaux capables d'utiliser leur propre énergie interne pour répondre à des forces – ont découvert des comportements surprenants qui remettent en question les idées conventionnelles en mécanique.
Les matériaux qui se plient, se cassent, rampent ou même creusent tout seuls peuvent ressembler à de la science-fiction, mais les physiciens construisent désormais des systèmes capables de faire exactement cela.
Des chercheurs des universités d’Amsterdam, de Nouvelle-Galles du Sud et de Cambridge explorent une étrange catégorie de matériaux appelés matière active. Contrairement aux matériaux ordinaires, la matière active peut puiser dans son énergie interne pour répondre dynamiquement aux forces extérieures. Leurs dernières expériences révèlent des comportements qui remettent en question certaines des règles les plus établies en mécanique et pourraient éventuellement contribuer à façonner la prochaine génération de robotique douce et de machines adaptatives.
La plupart des matériaux que les gens rencontrent quotidiennement sont passifs. Les poutres en acier, les élastiques, le verre et le béton ne bougent ou ne se déforment que lorsque quelque chose d'extérieur les pousse, les étire ou les comprime.
La matière active fonctionne différemment. Ces systèmes consomment continuellement de l'énergie et la convertissent en mouvement ou en changements mécaniques. La nature regorge d’exemples. Les bancs de poissons se déplacent par vagues coordonnées, les troupeaux d’oiseaux changent de direction presque instantanément et les cellules vivantes se réorganisent sans aucun contrôleur central.
Les éléments constitutifs des nouveaux matériaux sont des tiges reliées par de petits moteurs qui rendent le matériau actif. Les interactions ne sont pas réciproques : lorsqu'on appuie sur un côté, le système réagit d'une manière différente que lorsqu'on appuie sur l'autre côté. Crédit : Image des auteurs.
Construire des matériaux actifs en laboratoire
La matière active ne se limite pas à la biologie. Les scientifiques peuvent également le créer en laboratoire en utilisant des composants relativement simples.
Au cours des dernières années, des chercheurs d’Amsterdam, de Cambridge et de Nouvelle-Galles du Sud ont développé des matériaux actifs à base de tiges, d’élastiques et de minuscules moteurs. Ces systèmes affichent des comportements inhabituels et potentiellement utiles. Deux études récentes de l’équipe ont été acceptées pour publication.
Un exemple commence par une simple comparaison. Si vous compressez un ticket papier entre vos doigts, il se déforme dans un sens. Poussez la section pliée vers l’intérieur et elle s’enclenche soudainement du côté opposé. Étant donné que le ticket est une matière inactive, ce flambage et cette cassure ne se produisent qu'une seule fois sous une pression externe.
Quand les matériaux commencent à bouger d’eux-mêmes
Les chercheurs ont découvert que les matériaux actifs se comportent très différemment au cours d’un même processus.
Pour créer une version active du système, l'équipe a relié les tiges entre elles en une chaîne et a placé de petits moteurs au niveau des articulations. Ces moteurs créaient des interactions non réciproques, ce qui signifie qu'une tige pouvait réagir différemment au mouvement selon la tige voisine qui le provoquait.
Au lieu de se déformer et de se briser une seule fois, les chaînes actives répétaient le mouvement en continu et produisaient des oscillations. Les chercheurs affirment que le « point critique » habituel où se produit le claquement est devenu ce que l’on appelle un « point critique exceptionnel ». En termes pratiques, cela permettait aux chaînes de se déplacer d'une manière ressemblant à ramper, marcher ou creuser.
Les résultats ont été publiés dans leActes de l'Académie nationale des sciencespar les premiers auteurs conjoints Sami Al-Izzi de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud et Yao Du de l’Université d’Amsterdam. Une image de l’une des chaînes flambées a été sélectionnée comme couverture du journal.
Selon les chercheurs, ces travaux pourraient contribuer à déboucher sur des matériaux autonomes dotés de multiples fonctions, en particulier pour des robots souples et flexibles pouvant fonctionner sans systèmes de contrôle centralisés.
Remettre en question un principe mécanique fondamental
Les ingénieurs s’appuient souvent sur le principe de Le Chatelier, qui suggère globalement que le comportement à petite échelle devrait se traduire par des structures plus grandes. Par exemple, rendre des parties individuelles d’une structure plus rigides rend généralement la structure entière plus rigide également.
L’équipe a découvert que la matière active ne suit pas toujours cette règle.
En utilisant un réseau bidimensionnel constitué de moteurs et de tiges, les chercheurs ont découvert qu’augmenter l’activité de chaque élément constitutif pouvait en réalité rendre la structure globale moins active. Ils ont mesuré l’évolution de l’élasticité de la structure plus grande en fonction des propriétés de ses composants microscopiques.
L'importance de la percolation
Les chercheurs ont déterminé que le comportement à grande échelle dépend de la manière dont les composants microscopiques actifs se propagent dans le matériau, un processus appelé percolation.
Ils ont comparé l’effet à celui de l’eau se déplaçant dans le marc de café. Si le sol est trop compacté, l’eau ne peut pas passer efficacement. De la même manière, une concentration élevée de composants moins actifs peut empêcher les réponses élastiques de se propager à travers le matériau, même lorsque d’autres régions restent très actives.
La deuxième étude, dirigée par le premier auteur Jack Binysh du groupe de recherche de Corentin Coulais à l'Université d'Amsterdam, a été acceptée pour publication dansExamen physique X.
Les chercheurs pensent que la rupture du principe de Le Chatelier dans la matière active pourrait avoir des implications importantes pour les scientifiques étudiant des systèmes tels que les gels biophysiques, les monocouches épithéliales et les réseaux neuromorphiques. Les résultats pourraient également influencer les recherches futures en physique, en science de la matière molle, en génie mécanique, en sciences de la vie et en robotique.
Références :
« Le flambage non réciproque rend les filaments actifs polyfonctionnels » par Sami C. Al-Izzi, Yao Du, Jonas Veenstra, Richard G. Morris, Anton Souslov, Andreas Carlson, Corentin Coulais et Jack Binysh, 13 mars 2026,Actes de l'Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2531723123
« Plus, c'est moins dans les solides actifs non percolés » par Jack Binysh, Guido Baardink, Jonas Veenstra, Corentin Coulais et Anton Souslov, 13 avril 2026,Examen physique X.
DOI : 10.1103/flhb-kjyd
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Les physiciens qui étudient la matière active – des matériaux capables d'utiliser leur propre énergie interne pour répondre à des forces – ont découvert des comportements surprenants qui remettent en question les idées conventionnelles en mécanique.
Les matériaux qui se plient, se cassent, rampent ou même creusent tout seuls peuvent ressembler à de la science-fiction, mais les physiciens construisent désormais des systèmes capables de faire exactement cela.
Des chercheurs des universités d’Amsterdam, de Nouvelle-Galles du Sud et de Cambridge explorent une étrange catégorie de matériaux appelés matière active. Contrairement aux matériaux ordinaires, la matière active peut puiser dans son énergie interne pour répondre dynamiquement aux forces extérieures. Leurs dernières expériences révèlent des comportements qui remettent en question certaines des règles les plus établies en mécanique et pourraient éventuellement contribuer à façonner la prochaine génération de robotique douce et de machines adaptatives.
La plupart des matériaux que les gens rencontrent quotidiennement sont passifs. Les poutres en acier, les élastiques, le verre et le béton ne bougent ou ne se déforment que lorsque quelque chose d'extérieur les pousse, les étire ou les comprime.
La matière active fonctionne différemment. Ces systèmes consomment continuellement de l'énergie et la convertissent en mouvement ou en changements mécaniques. La nature regorge d’exemples. Les bancs de poissons se déplacent par vagues coordonnées, les troupeaux d’oiseaux changent de direction presque instantanément et les cellules vivantes se réorganisent sans aucun contrôleur central.
Les éléments constitutifs des nouveaux matériaux sont des tiges reliées par de petits moteurs qui rendent le matériau actif. Les interactions ne sont pas réciproques : lorsqu'on appuie sur un côté, le système réagit d'une manière différente que lorsqu'on appuie sur l'autre côté. Crédit : Image des auteurs.
Construire des matériaux actifs en laboratoire
La matière active ne se limite pas à la biologie. Les scientifiques peuvent également le créer en laboratoire en utilisant des composants relativement simples.
Au cours des dernières années, des chercheurs d’Amsterdam, de Cambridge et de Nouvelle-Galles du Sud ont développé des matériaux actifs à base de tiges, d’élastiques et de minuscules moteurs. Ces systèmes affichent des comportements inhabituels et potentiellement utiles. Deux études récentes de l’équipe ont été acceptées pour publication.
Un exemple commence par une simple comparaison. Si vous compressez un ticket papier entre vos doigts, il se déforme dans un sens. Poussez la section pliée vers l’intérieur et elle s’enclenche soudainement du côté opposé. Étant donné que le ticket est une matière inactive, ce flambage et cette cassure ne se produisent qu'une seule fois sous une pression externe.
Quand les matériaux commencent à bouger d’eux-mêmes
Les chercheurs ont découvert que les matériaux actifs se comportent très différemment au cours d’un même processus.
Pour créer une version active du système, l'équipe a relié les tiges entre elles en une chaîne et a placé de petits moteurs au niveau des articulations. Ces moteurs créaient des interactions non réciproques, ce qui signifie qu'une tige pouvait réagir différemment au mouvement selon la tige voisine qui le provoquait.
Au lieu de se déformer et de se briser une seule fois, les chaînes actives répétaient le mouvement en continu et produisaient des oscillations. Les chercheurs affirment que le « point critique » habituel où se produit le claquement est devenu ce que l’on appelle un « point critique exceptionnel ». En termes pratiques, cela permettait aux chaînes de se déplacer d'une manière ressemblant à ramper, marcher ou creuser.
Les résultats ont été publiés dans leActes de l'Académie nationale des sciencespar les premiers auteurs conjoints Sami Al-Izzi de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud et Yao Du de l’Université d’Amsterdam. Une image de l’une des chaînes flambées a été sélectionnée comme couverture du journal.
Selon les chercheurs, ces travaux pourraient contribuer à déboucher sur des matériaux autonomes dotés de multiples fonctions, en particulier pour des robots souples et flexibles pouvant fonctionner sans systèmes de contrôle centralisés.
Remettre en question un principe mécanique fondamental
Les ingénieurs s’appuient souvent sur le principe de Le Chatelier, qui suggère globalement que le comportement à petite échelle devrait se traduire par des structures plus grandes. Par exemple, rendre des parties individuelles d’une structure plus rigides rend généralement la structure entière plus rigide également.
L’équipe a découvert que la matière active ne suit pas toujours cette règle.
En utilisant un réseau bidimensionnel constitué de moteurs et de tiges, les chercheurs ont découvert qu’augmenter l’activité de chaque élément constitutif pouvait en réalité rendre la structure globale moins active. Ils ont mesuré l’évolution de l’élasticité de la structure plus grande en fonction des propriétés de ses composants microscopiques.
L'importance de la percolation
Les chercheurs ont déterminé que le comportement à grande échelle dépend de la manière dont les composants microscopiques actifs se propagent dans le matériau, un processus appelé percolation.
Ils ont comparé l’effet à celui de l’eau se déplaçant dans le marc de café. Si le sol est trop compacté, l’eau ne peut pas passer efficacement. De la même manière, une concentration élevée de composants moins actifs peut empêcher les réponses élastiques de se propager à travers le matériau, même lorsque d’autres régions restent très actives.
La deuxième étude, dirigée par le premier auteur Jack Binysh du groupe de recherche de Corentin Coulais à l'Université d'Amsterdam, a été acceptée pour publication dansExamen physique X.
Les chercheurs pensent que la rupture du principe de Le Chatelier dans la matière active pourrait avoir des implications importantes pour les scientifiques étudiant des systèmes tels que les gels biophysiques, les monocouches épithéliales et les réseaux neuromorphiques. Les résultats pourraient également influencer les recherches futures en physique, en science de la matière molle, en génie mécanique, en sciences de la vie et en robotique.
Références :
« Le flambage non réciproque rend les filaments actifs polyfonctionnels » par Sami C. Al-Izzi, Yao Du, Jonas Veenstra, Richard G. Morris, Anton Souslov, Andreas Carlson, Corentin Coulais et Jack Binysh, 13 mars 2026,Actes de l'Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2531723123
« Plus, c'est moins dans les solides actifs non percolés » par Jack Binysh, Guido Baardink, Jonas Veenstra, Corentin Coulais et Anton Souslov, 13 avril 2026,Examen physique X.
DOI : 10.1103/flhb-kjyd
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