Des scientifiques du RIKEN Center for Emergent Matter Science ont inventé un matériau composite qui canalise l’énergie mécanique dans une direction spécifique. Cet hydrogel avec des nanocharges intégrées pourrait révolutionner la façon dont l’énergie vibratoire gaspillée est utilisée.
Un groupe de recherche dirigé par des scientifiques du RIKEN Center for Emergent Matter Science a mis au point un matériau unique, basé sur des nanocharges intégrées dans un hydrogel, qui peut canaliser l’énergie mécanique dans une direction mais pas dans l’autre, agissant ainsi de manière « non réciproque ». Grâce à ce matériau composite, qui peut être fabriqué en différentes tailles, l’équipe a pu utiliser des mouvements vibratoires, de haut en bas, pour faire monter des gouttelettes de liquide dans un matériau. L’utilisation de ce matériau pourrait donc permettre d’utiliser utilement les vibrations aléatoires pour déplacer la matière dans une direction donnée.
Canaliser l’énergie dans une direction privilégiée est une propriété importante qui rend la vie possible. De nombreuses fonctions biologiques de base, telles que la photosynthèse et la respiration cellulaire, sont rendues possibles par la canalisation des fluctuations aléatoires de la nature dans un sens non réciproque, pour éloigner un système de l’entropie, comme le célèbre démon de Maxwell. Les dispositifs qui permettent à l’énergie de se déplacer de manière préférentielle sont utilisés dans de nombreux domaines, tels que l’électricité, où ils permettent de transformer le courant alternatif en courant continu, ainsi que la photonique, le magnétisme et le son. En revanche, il s’est avéré plus difficile de créer des dispositifs qui canalisent l’énergie mécanique, qui pourrait également avoir de nombreuses utilisations potentielles.
Hydrogel permettant de canaliser l’énergie mécanique dans une direction privilégiée. Crédit : RIKEN
Aujourd’hui, un groupe dirigé par le RIKEN a mis au point un matériau remarquable mais uniforme, relativement facile à produire et capable de remplir cette fonction. Pour le créer, le groupe a utilisé un hydrogel – un matériau mou composé principalement d’eau – constitué d’un réseau de polyacrylamide et y a incorporé des nanocharges d’oxyde de graphène, à un certain angle. L’hydrogel est fixé au sol, de sorte que la partie supérieure peut bouger lorsqu’elle est soumise à une force de cisaillement, mais pas la partie inférieure. Les charges sont inclinées dans le sens des aiguilles d’une montre, du haut vers le bas.
Lorsqu’une force de cisaillement est appliquée vers la gauche, dans la direction où les nanocharges sont inclinées, elles ont tendance à se déformer et donc à perdre leur résistance. Mais dans l’autre direction, où elles sont orientées à l’opposé de la force, le cisaillement appliqué les fait simplement s’étirer encore plus et elles conservent leur résistance. Cela permet à la feuille de se déformer dans une direction mais pas dans l’autre. En fait, le groupe a mesuré cette différence et a constaté que le matériau était environ 60 fois plus résistant dans une direction que dans l’autre.
Application de l’hydrogel pour le transport anti-gravité de gouttelettes d’eau. Crédit : RIKEN
Dans le cadre d’une expérience visant à démontrer ce que cela pourrait réellement donner, ils ont créé un bloc de matériau et l’ont placé sur un support vibrant. Selon la façon dont il était conçu et orienté, le matériau a pu être canalisé pour faire bouger les gouttelettes vers la droite ou la gauche, ou même vers le haut du réseau, mais pas vers le bas. Ils pouvaient également utiliser le mouvement vibratoire pour entraîner un mouvement circulaire qui pouvait être contrôlé dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse. Dans le cas de l’orientation verticale, lorsque des gouttes de liquide coloré ont été injectées dans l’hydrogel, elles se sont déplacées vers le haut comme par magie, les mouvements vibratoires alternatifs, qui ne sont généralement d’aucune utilité, étant canalisés pour créer un mouvement net.
Enfin, à titre de test supplémentaire, le groupe, en collaboration avec des chercheurs du programme RIKEN Hakubi Fellows, a placé des vers C. elegans sur le matériau, et bien que leurs mouvements soient normalement aléatoires, ils ont fini par se déplacer tous d’un côté ou de l’autre de l’hydrogel, en fonction de son orientation.
Selon Yasuhiro Ishida, du RIKEN Center for Emergent Matter Science, qui a dirigé les travaux, « c’était un résultat remarquable et surprenant de voir comment l’énergie mécanique pouvait être canalisée dans une direction de préférence, d’une manière aussi claire, et en utilisant un matériau plutôt facile à fabriquer et tout à fait évolutif. À l’avenir, nous prévoyons de trouver des applications pour ce matériau, dans l’espoir de pouvoir l’utiliser pour exploiter efficacement l’énergie vibratoire qui, jusqu’à présent, était considérée comme un déchet.
Référence : « Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material » par Xiang Wang, Zhihao Li, Shuxu Wang, Koki Sano, Zhifang Sun, Zhenhua Shao, Asuka Takeishi, Seishiro Matsubara, Dai Okumura, Nobuyuki Sakai, Takayoshi Sasaki, Takuzo Aida et Yasuhiro Ishida, 13 avril 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adf1206