auto-assemblage

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.

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.

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.

Un diapason frappé émet un son pur et durable. Mais si l'on secoue légèrement la fourche pendant qu'elle sonne, le son se met à trembler et s'éteint rapidement. C'est à peu près ce qui se passe avec les électrons dans n'importe quel morceau de matière. Les atomes du réseau ne restent jamais en place : les vibrations thermiques les font trembler continuellement.

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.

Pendant longtemps, nous n'avons vu les protéines que dans leur position finale, comme des photos de danseurs figés dans une pose élégante. Des programmes comme AlphaFold ont appris à prédire cette pose à partir d'une chaîne de maillons de carbone.

Une foule sur une place de ville se comporte différemment selon que les gens se tiennent par la main ou non. Si chacun ne fait qu'effleurer le coude de son voisin, les gens se dispersent facilement dans toutes les directions — la foule s'étend comme un tapis uniforme.

Si l'on disperse des graines au hasard, les pousses s'entremêlent dans le chaos. Mais si on les dispose en rangées bien nettes, le champ pousse de manière ordonnée. Un principe similaire s'applique aux bactéries.

Un vol d'oiseaux ou un banc de poissons peut parfois se mettre à tourner en entonnoir, sans qu'aucun individu ne donne l'ordre de « tourner ». Cette rotation collective aide le groupe à rester soudé et à mieux se mélanger.

Dans un laboratoire où l'on étudie les cristaux, le technicien regarde un écran parsemé de taches lumineuses et fait pivoter lentement l'échantillon, cherchant à obtenir un motif symétrique. Ce travail ressemble à l'accord d'un vieux poste de radio : on tourne le bouton jusqu'à ce que le bruit laisse place à un signal clair. Désormais, cette manette peut être tournée par une machine.

À l'intérieur des cellules, il existe de minuscules gouttelettes liquides, comme des billes d'huile dans l'eau. Elles se forment à partir de protéines et d'ARN et servent à toutes sortes de tâches : du stockage de molécules à l'accélération de réactions.

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.

Un cuisinier goûte sa soupe après chaque pincée de sel et décide aussitôt quoi ajouter. C'est à peu près ainsi que fonctionne la nouvelle installation pour faire croître des films cristallins minces. Mais au lieu du goût, c'est une image de microscope électronique, et au lieu du cuisinier, c'est un programme informatique.

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.

Une poignée de nanocristaux de sulfure de plomb, recouverts de molécules chargées, s'organise spontanément en un réseau cristallin parfait. Chaque nanocristal est comme une brique de quelques nanomètres, et les molécules chargées à sa surface jouent le rôle de mortier.

Dans un verre d'eau, on dissout quelques sels et du formaldéhyde. Au bout d'un certain temps, le liquide se sépare de lui-même : des gouttelettes entourées d'une membrane apparaissent, semblables à de minuscules bulles. À l'intérieur de chaque gouttelette, des transformations chimiques se produisent, et la gouttelette elle-même croît en absorbant de la matière depuis la solution environnante.

Les cristaux temporels sont une matière qui « tictaque » même au repos, comme des horloges éternelles prédites par Frank Wilczek. Dans une nouvelle expérience, des physiciens ont assemblé deux de leurs types : le discret (rythme rigide, comme un métronome) et le continu (tempo variable, comme une toupie).

Une poignée de billes magnétiques, si on les secoue, s'agglutine en amas. Mais ajoutez aux aimants des ressorts qui repoussent les billes à distance — et les amas se désagrègent en îlots réguliers. C'est à peu près ainsi que se comportent les particules dont il est question dans cette nouvelle étude : elles s'attirent à courte distance, mais se repoussent à plus grande distance.

La méthode habituelle pour congeler une cellule vivante ressemble à une tentative de lui enfiler un scaphandre : il faut d'abord introduire une substance protectrice à l'intérieur, mais pendant qu'elle traverse la membrane, la cellule peut éclater à cause du choc osmotique ou être empoisonnée par les produits chimiques.

Versez une poignée de sable sec : il s'étale en un cône régulier. Maintenant, prenez un paquet de pâtes en forme d'étoiles : le tas restera presque vertical. Pourquoi ? Tout est une question de forme des particules. Des physiciens ont construit des tas cylindriques avec des particules de géométries variées — des billes lisses aux « polypodes » à plusieurs excroissances, comme une étoile de mer.

Une bactérie dans une goutte d'eau ne se contente pas de nager : elle explore l'espace autour d'elle, décide où tourner et trouve la sortie d'un labyrinthe complexe. Les nageurs microscopiques artificiels, eux, n'en étaient pas capables jusqu'ici : il fallait les guider à la main, en leur envoyant des signaux de l'extérieur.