auto-assemblage piloté par l'entropie

Sur une plaquette de silicium lisse, les nanocubes d'or se comportent comme une foule sur une patinoire : d'abord, des figures isolées glissent au hasard sur la glace, puis en une minute elles se rassemblent en un tapis uniforme qui couvre les deux tiers de la surface.

Un orchestre de cent musiciens joue sans chef. Chaque instrument est parfaitement accordé, mais qu'un seul violon se désaccorde légèrement, et l'harmonie s'effondre.

Une goutte d'eau sur un film de fluoropolymère se comporte d'abord comme prévu : elle repose et s'évapore. Mais dès qu'elle rétrécit jusqu'au quart de sa taille initiale, elle décolle et parcourt en quelques fractions de seconde une distance plusieurs fois supérieure à son propre rayon.

Une foule à l'entrée d'un couloir étroit ne se comporte pas comme dans une salle spacieuse : certains sont plaqués contre les murs, d'autres sont poussés vers l'avant. C'est à peu près ce qui se produit lorsqu'une particule allongée se retrouve dans un liquide grouillant d'haltères auto-propulsés.

Dans certains cristaux, les électrons ne sont pas répartis uniformément, mais s'organisent en un strict damier : sur une case, il y a plus d'électrons, sur la case voisine, moins. Ce motif est appelé ordre de charge, et on l'a longtemps considéré comme quelque chose de figé, un peu comme les motifs sur une vitre givrée.

Une pieuvre, tentacules déployés, attend. Aucun centre unique ne commande ses bras, mais dès qu'une proie touche l'un d'eux, les huit s'enroulent autour d'elle. Des physiciens ont reproduit un exploit similaire en laboratoire avec un corps dépourvu de neurones et de muscles : un polymère en étoile doté de bras auto-mobiles.

Imaginez une volée d'oiseaux qui se rassemble autour d'une mangeoire que personne n'a construite. Chaque oiseau cherche sa nourriture pour lui-même, mais au final, ils se retrouvent ensemble. D'habitude, on explique ce comportement par un instinct social : les oiseaux veulent être près de leurs congénères. Mais et si la nuée n'était qu'un effet secondaire de la cupidité ?

Un électron quitte une molécule comme un locataire quitte le dernier étage : pour partir, il faut franchir les marches d'énergie. Mais dans l'échelle quantique, les marches ne sont pas vides : d'autres électrons s'y pressent, et cette promiscuité change la hauteur à gravir.

Dans une grande communauté, les espèces rares ressemblent à de fines branches d'arbre : un coup de vent aléatoire suffit à les briser. Même si les conditions sont stables, une population peu nombreuse n'a tout simplement pas assez d'individus pour survivre à une mauvaise saison.

Dans une casserole d'eau flottent des billes microscopiques — des particules colloïdales. Chaque bille est recouverte de longs filaments polymères, semblables à une brosse, et porte une charge électrique. Si l'on choisit correctement la température et la composition de la solution, les billes commencent d'elles-mêmes à s'organiser en motifs ordonnés — des cristaux.

Dans un concert, au milieu d'une foule compacte, chaque pas est difficile — plus on est serré, moins on a envie de bouger. C'est ainsi que se comporte généralement la matière active : les essaims de bactéries ou les groupes de robots se figent dans la promiscuité. Mais une équipe de chercheurs a découvert un effet inverse.

Une goutte d'eau sur une vitre tremble et scintille — on dirait qu'elle vit sa propre vie. Un comportement similaire peut désormais être observé dans le monde des colloïdes — de minuscules particules en suspension dans un liquide. Les chercheurs ont modélisé sur ordinateur des particules qui émettent des signaux chimiques.

Une ville la nuit : certaines fenêtres sont éclairées, d'autres sont sombres. Si l'on relie par des lignes les fenêtres qui s'allument simultanément, on obtient une toile de connexions. C'est une telle toile que des chercheurs ont étudiée pour de minuscules organoïdes cérébraux – des amas vivants de cellules nerveuses cultivés en laboratoire.

D'habitude, la complexité des systèmes — du mouvement des satellites aux rythmes cardiaques — est évaluée par l'entropie moyenne (une mesure de l'imprévisibilité, telle que la concevait Ludwig Boltzmann).

Dans un monde où les nombres de Reynolds sont infimes, l'eau se transforme en sirop visqueux et les méthodes de nage habituelles cessent de fonctionner. Ici règne le redoutable théorème du peigne : les mouvements symétriques ne produisent aucune progression. Les micro-organismes ont trouvé la parade : ils font pousser des queues polymères.

Dans un monde qui tend vers le chaos, le rythme naît parfois. La réaction chimique de Belousov-Jabotinsky fascine depuis des décennies : dans une éprouvette, des vagues colorées courent toutes seules, comme un organisme vivant qui respire la matière.

Un organisme vivant est une machine qui fait constamment passer de l'énergie à travers lui et la transforme en chaleur. Ce cycle interne est appelé production interne d'entropie (une mesure de la dissipation d'énergie). Mais il y a environ 2,5 millions d'années, nos ancêtres ont lancé un second circuit — externe. Ils ont pris en main une pierre taillée, puis une branche en feu.

Un liquide chaud s'écoule facilement : les molécules s'agitent, se heurtent et trouvent rapidement une nouvelle place. Mais dès qu'on le refroidit, tout change. Le mouvement se fige presque, et la viscosité s'envole. La question centrale n'est pas que les particules soient paresseuses, mais de savoir où elles peuvent bien aller. Les auteurs de l'étude combinent deux idées connues.

Le forgeron forge une épée. À chaque coup de marteau, le métal incandescent s'aplatit, mais le marteau lui-même, l'enclume et l'air ambiant s'échauffent légèrement. Une partie de l'énergie du coup se dissipe irrémédiablement en chaleur — et cet échange, familier à quiconque a déjà planté un clou, se révèle être la clé des plus grandes énigmes du cosmos.

Un drap bien tendu reste posé sur une table pendant plusieurs jours. En apparence, il est immobile, mais les fibres du tissu conservent une tension : il suffit de relâcher légèrement un bord pour que les plis se propagent, réorganisant tout le motif. C'est à peu près ce que fait une couche de cellules épithéliales au repos.

Une foule de personnes qui peuvent se déplacer librement, mais qui se mettent soudain à agir comme un seul corps — c'est ainsi qu'un supraconducteur laisse passer le courant sans résistance.

Un enregistrement sur dictaphone d'une place de ville. On entend le bourdonnement de la foule, des pas, des bribes de conversations, le bruit des voitures. Quelque part dans ce mélange de sons, un musicien de rue joue une mélodie simple à la flûte. L'entendre n'est pas facile — il y a trop de choses mélangées.

À l'intérieur de chaque cellule, la vie grouille : de minuscules machines protéiques transportent sans relâche des cargaisons, lisent les gènes et corrigent les erreurs. Mais leur travail est loin d'être parfait : elles « patinent » sans arrêt, font des pas en arrière ou se retrouvent coincées dans des cycles inutiles.

Une batterie quantique n'est pas une boîte de chimie, mais une chaîne de minuscules aimants (spins) capable de stocker de l'énergie. Son principal atout : charger plusieurs particules à la fois en utilisant leur intrication quantique. Mais il y a un piège — toute intrication ne convient pas.

Jetez une dizaine de pièces sur une table. Le nombre de combinaisons de piles et de faces dépasse à peine le millier. Pour deux dizaines de pièces, c'est déjà un million. Le nombre croît comme 2 puissance le nombre de pièces, et c'est rapide. Mais les systèmes quantiques sont bien plus riches.

Une poignée de riz jetée dans un verre d'eau se disperse — les grains s'éparpillent. Imaginez maintenant que chaque grain avance tout droit avec une obstination inébranlable et rebondisse doucement lors des collisions. Ces particules sont dites actives : elles dépensent leur propre énergie pour se déplacer, comme des bactéries ou des robots microscopiques.

Dans un cristal ordinaire, les atomes sont alignés en rangées régulières, comme des soldats sur un terrain de parade. Toute déviation de cet alignement est généralement considérée comme nuisible : le désordre disperse les ondes et éteint rapidement les mouvements collectifs des particules.

Dans toute bande, il y a des trios implicites : trois amis qui sont toujours ensemble. Et il y a des paires qui existent par elles-mêmes. Il s'avère que la mesure dans laquelle les trios « contiennent » les paires détermine la façon dont tout se propage dans le groupe — d'un virus à une nouvelle idée.

Un ballon se gonfle tout seul, alors que personne ne souffle dedans. C'est à peu près ce à quoi ressemble l'expansion accélérée de l'Univers – et pour l'expliquer, on invoque généralement l'énergie noire, une force invisible et incompréhensible. Mais et si le ballon se gonflait parce que de nouvelles molécules d'air apparaissent continuellement à l'intérieur ?

Un orchestre sans chef joue, et soudain — sans ordre visible — les violons commencent à sonner plus fort, et les cuivres se décalent légèrement dans le temps. De l'extérieur, rien ne semble avoir changé, mais à l'intérieur de l'ensemble, il y a eu une réorganisation. C'est à peu près ainsi que se comportent les petits systèmes physiques lors des pseudotransitions du troisième ordre.

Deux musiciens jouent en duo. Dans une salle idéale, ils s'entendent parfaitement et entrent progressivement en résonance. Mais essayez de jouer dans une pièce où quelqu'un claque constamment la porte. On pourrait croire que le rythme va être perturbé. Et bien non : parfois, c'est précisément ce claquement aléatoire qui fait que les deux s'accordent instantanément.

Un alliage de sept métaux, c'est comme une équipe où chaque joueur tire la couverture à soi. Les atomes de fer, de cobalt, de nickel, d'aluminium, de titane, de tantale et de vanadium peuvent s'aligner en un motif strict, ou bien se disperser au hasard. De cela dépend si le matériau sera résistant comme l'acier ou léger comme l'aluminium.

Un neurone dans le cerveau ressemble à une personne qui distribue ses cartes de visite lors d'une conférence très fréquentée. Au début, il fait facilement des connaissances, mais à mesure que son carnet d'adresses se remplit, chaque nouveau contact exige de plus en plus d'efforts — il reste peu de place libre.

Une poignée de sable sur une table n'est qu'un tas. Mais si on secoue correctement les grains, le tas se comporte comme une mémoire : il retient quel mouvement suit quel autre. Dans cette nouvelle expérience, les particules ont été déplacées de manière cyclique, et après l'entraînement, elles reproduisaient le motif voulu même sans commande complète.

Une goutte d'eau avec de minuscules particules sèche sur une table. L'eau s'évapore, les particules restent et s'organisent en un motif — comme le sable après la marée basse. Mais si les particules sont molles, le motif est tout à fait différent.

Les polymères sont de longs fils d'atomes de carbone et d'hydrogène. Dans les cellules vivantes, ils se retrouvent dans des flux de signaux chimiques qui pulsent comme des vagues. Les longues chaînes et les anneaux fermés se comportent comme des surfeurs aguerris : ils attrapent la vague et glissent avec elle.

Un cristal qui, à l'intérieur, ressemble à une éponge avec un labyrinthe de pores, s'est avéré capable d'effectuer des calculs. Le matériau nommé DUT-8 est constitué de nœuds métalliques et de ponts organiques formant une structure ajourée. Sous l'effet de différents gaz, cette structure change légèrement de forme — comme un château de cartes qui se réorganise sous une légère brise.

Une goutte d'encre dans un verre d'eau se disperse toute seule. Mais si l'encre était composée de minuscules moteurs, elle ne se contenterait pas de se répandre : elle ramperait, se bousculerait et se regrouperait en bancs. Ces particules qui se déplacent d'elles-mêmes sont appelées actives. On peut les assembler en molécules, comme des perles sur un bracelet.

L'eau d'une rivière coule régulièrement jusqu'à ce qu'elle rencontre un rétrécissement. Là, le courant accélère et peut former un tourbillon après le virage. Des entonnoirs similaires, mais de la taille d'une molécule, sont capables de rassembler seuls des particules en un même endroit — sans pompe ni moteur.

Un métal, c'est comme une corde faite de nombreux brins : si on tire trop fort, elle casse. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps à le rendre à la fois résistant et flexible. En général, les additifs qui augmentent la résistance rendent le métal fragile.