Matière condensée molle cond-mat.soft

Une goutte d'eau tombe sur une feuille de lotus et rebondit sans laisser de trace. Ce miracle d'auto-nettoyage, la nature l'a perfectionné pendant des millions d'années, et les ingénieurs tentent depuis longtemps de le reproduire. Mais si la goutte frappe trop vite, elle se fragmente en éclaboussures, perdant de la masse et laissant des traces humides sur la surface.

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.

Sur une table repose une fine membrane en caoutchouc. Quelqu'un la saisit par le milieu et la tire lentement vers le haut. La membrane ne veut pas simplement se soulever : elle se cambre en dôme, puis des rides courent le long du bord du dôme, comme des plis sur une jupe. On soulève plus haut — les rides se rassemblent en grands plis qui traversent toute la membrane.

Une goutte d'eau coincée entre deux surfaces proches se transforme en un minuscule pont. Ces ponts sont partout : ils retiennent les grains de sable dans le sable humide, font coller les cheveux après la douche et aident même les insectes à marcher sur les murs.

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.

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.

Un fil fin dans un courant d'eau, c'est comme un cheveu sous la douche. Si l'on agite l'eau d'avant en arrière, le cheveu tantôt s'étire dans le sens du courant, tantôt se replie. Des scientifiques ont pris de véritables fils de protéines (de l'actine, celle qui compose les muscles) et les ont placés dans un canal microscopique où le liquide oscillait à différentes fréquences.

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.

Une éponge de cuisine pressée dans le poing reprend sa forme. Mais si on la comprime lentement en la laissant sécher, elle reste aplatie. C'est à peu près ce qu'ont fait des scientifiques avec de minuscules billes de gel : ils les ont laissées sécher tout en les comprimant, et ont observé ce qui se passait à l'intérieur.

Une goutte de sang tombe sur un pansement fait de fibres polymères ultrafines. D'ordinaire, elle reste en surface, comme une rosée sur du papier ciré. Le matériau repousse l'eau, le sang ne s'absorbe pas – et le pansement ne colle pas à la plaie. Des chercheurs ont modifié la surface des fibres.

À l'intérieur d'un œuf fécondé de grenouille, des vagues se propagent — comme des ronds dans l'eau, mais faites de protéines qui commandent la division cellulaire. Ces vagues parcourent des millimètres, alors que l'œuf lui-même fait moins d'un millimètre. On ne comprenait pas pourquoi elles ne se dérèglent pas. Il s'avère que les vagues se frayent elles-mêmes le chemin.

Tapez sur le fond d'une boîte de conserve : il se creuse vers l'intérieur et y reste. Appuyez à nouveau : il se bombe vers l'extérieur. C'est la bistabilité : un système a deux états stables, comme un interrupteur. Une arche élastique est l'exemple le plus simple d'un tel système. Elle peut être courbée vers le haut ou vers le bas, et pour la faire basculer, il faut exercer une force.

Une goutte d'huile dans l'eau se comporte comme une petite bille : elle cherche à occuper la position de moindre énergie. S'il y a une paroi à proximité, la goutte s'y colle souvent — tout comme une goutte de pluie s'étale sur une vitre.

Une bille microscopique de gel ou une minuscule goutte d'huile se faufile dans un canal étroit dont les parois se compriment et se relâchent rythmiquement. La particule s'aplatit puis reprend sa forme — et selon la rapidité avec laquelle elle le fait, on peut connaître son élasticité interne et sa viscosité.

Les particules minuscules mènent une double vie, comme une pièce qui tourne et qui est à la fois pile et face. Le contact avec le monde extérieur les force à choisir – un processus appelé décohérence. Imaginez un écho dans une pièce. L'ancienne règle supposait que la pièce était nue, donc l'écho mourait instantanément.

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.

Un transistor en graphène fonctionne comme un interrupteur microscopique : une molécule se pose à sa surface et le courant change. Mais la surface nue du graphène n'attrape rien. Il faut un « appât » — des anticorps qui ne reconnaissent que les protéines du virus.

À l'intérieur d'une cellule vivante, il existe de minuscules gouttelettes liquides où les protéines se rassemblent, comme les ingrédients d'une vinaigrette. Certaines protéines forment le squelette de la gouttelette, d'autres, les clients, ne créent pas la gouttelette elles-mêmes, mais s'y invitent volontiers et en modifient la composition.

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.

Le vent souffle régulièrement, mais soudain une rafale survient et les feuilles s'envolent en tourbillons. À l'intérieur de cette rafale, la vitesse de l'air ne change pas progressivement mais par à-coups – tantôt brusquement vers l'avant, tantôt sur le côté.

Une goutte d'un mélange épais d'amidon de maïs et d'eau tombe sur une table. Habituellement, un tel mélange durcit instantanément sous un choc violent — on peut même courir dessus si l'on remplit une piscine avec. Mais dans cette expérience, tout s'est passé autrement.

Secouez un bocal contenant du sable et des billes : vous verrez les gros objets remonter ou couler selon leur taille. Mais si vous secouez intelligemment, vous pouvez faire en sorte que les billes se rassemblent en paires et en chaînes, comme si elles étaient collées les unes aux autres.

Dans un verre d'eau gazeuse, les bulles remontent joyeusement à la surface. Mais si l'on gèle l'eau, certaines bulles se retrouvent prisonnières de la glace. Comment y arrivent-elles ? Car la glace pousse en repoussant le gaz – mais elle n'y parvient pas toujours.

La membrane d'une cellule vivante n'est pas une carapace rigide, mais un film souple dans lequel sont incrustées des milliers de protéines, comme des raisins secs dans une pâte.

La bactérie nage comme un petit hors-bord muni d'une hélice. Seulement, son hélice est un long flagelle qui tourne et propulse le corps vers l'avant. Mais le corps n'avance pas droit : il se balance comme un bouchon à la surface de l'eau. Ce balancement n'est pas un hasard, c'est une partie intégrante de la mécanique du mouvement.

Le sel dans un verre d'eau, c'est une foule de particules chargées. Tant qu'il y a beaucoup d'eau, chaque particule nage seule, entourée d'un épais manteau de molécules d'eau. Mais si l'on continue d'ajouter du sel, l'eau vient à manquer pour tout le monde, et les particules commencent à se chercher.

Si vous versez une poignée de pièces sur une table, la surface devient bosselée. Mais ajoutez encore des pièces, et elles s'étalent d'elles-mêmes en une couche uniforme. Quelque chose de similaire se produit lorsqu'on dépose des films extrêmement minces de molécules individuelles sur un substrat. Au début, des îlots apparaissent à la surface – les molécules se rassemblent en amas, comme des gens qui font la queue.

Une goutte de café sur une table sèche et laisse un anneau — les particules de café s'accumulent sur le bord. Si en revanche des nanoparticules chargées nagent dans la goutte, le tableau s'enrichit : le dépôt se fissure comme la boue d'une flaque desséchée.

Dans une goutte d'eau, les bactéries se poussent et nagent — chacune pour soi, mais ensemble elles créent des motifs. Lorsque le mouvement est faible, le fluide bouillonne comme une soupe sur feu vif : les tourbillons se heurtent, la direction du courant change à chaque seconde. On appelle cela la turbulence bactérienne.

Dans un supraconducteur, le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si l'on place ce matériau dans un champ magnétique, des tourbillons apparaissent à l'intérieur — de minuscules entonnoirs où la supraconductivité est détruite.

Un tampon en caoutchouc ordinaire amortit les vibrations comme une épaisse couverture étouffe le son : plus c'est épais et lourd, mieux c'est. Les ingénieurs rêvent depuis longtemps d'un matériau léger qui « dévorerait » les oscillations aussi bien qu'un amortisseur massif.

Les bactéries ne se contentent pas de ramper sur une surface : c'est toute la foule qui décide de la forme que prendra leur colonie. Une foule de personnes traverse une place : chacun marche à sa guise, mais ensemble ils forment un flux. Il en va de même pour les bactéries : chacune se déplace à sa manière, mais ensemble elles créent un motif de chemins ramifiés.

À l'intérieur de chaque muscle, il y a une équipe de rameurs : les protéines de myosine qui s'accrochent aux filaments d'actine, font un coup de rame, puis relâchent. Le carburant de ce coup de rame est la molécule d'ATP. Lorsque les rameurs travaillent en harmonie, le muscle se contracte et le corps bouge.

Dans un bocal de liquide huileux flottent des millions de minuscules grains magnétiques — chacun de la taille d'une bactérie. On allume un aimant, et les grains, tels des petits soldats disciplinés, s'alignent en longs filaments. Mais pourquoi forment-ils des filaments plutôt que des amas ? Il s'avère que le magnétisme n'est pas seul en cause.

Lorsque l'embryon grandit, ses cellules ne se contentent pas de se diviser : elles touchent constamment leurs voisines, comme des passagers dans un bus bondé. De la force de ces contacts dépend la direction dans laquelle une cellule se déplace et la forme que prendra le tissu.

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.

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.

À l'intérieur de chaque cellule, il existe un échafaudage de filaments – comme des échafaudages de construction qui lui donnent sa forme et lui permettent de se déplacer.

Le miel épais s'étale lentement sur l'assiette. Dans un tel monde, où le frottement supplante l'inertie, le mouvement est régi non par la force, mais par la viscosité. C'est ainsi que se comportent de nombreux matériaux mous : gels polymères, suspensions colloïdales, contenu des cellules vivantes.

Lorsque vous appuyez avec le doigt sur un morceau de pâte à modeler molle, elle se déforme docilement, puis reprend lentement sa forme initiale. Mais si vous appuyez sur une vitre, elle résistera ou se fissurera — aucune déformation progressive. Les deux matériaux sont amorphes : leurs atomes ne sont pas disposés en un réseau cristallin strict comme dans un métal.