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Fluide actif

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Ne doit pas être confondu avec Substance active.

Un fluide actif est un matériau fluide dont certains constituants en suspension sont capables de mouvements autonomes ou, plus généralement, d'injecter ou de dissiper de l'énergie mécanique[1],[2],[3], comme en biologie les suspensions denses de bactéries, les réseaux de microtubules ou le sperme[1]. Leurs propriétés diffèrent considérablement de celles des fluides passifs[4], qui sont généralement gouvernés par les équations de Navier-Stokes.

Des systèmes qualifiés de fluides actifs sont observés et étudiés dans différents contextes depuis des décennies, mais surtout depuis le début du XXIe siècle. On a montré que ces matériaux présentent une variété de phases différentes, depuis des schémas bien ordonnés jusqu'à des états chaotiques, avec potentiellement d'importantes applications technologiques[5],[6].

Comportement

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Les fluides actifs forment diverses structures, telles que des réseaux réguliers ou irréguliers, ainsi que des états apparemment aléatoires en deux dimensions.

Formation de motifs

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Les fluides actifs s'organisent en réseaux réguliers ou irréguliers dans divers contextes, par exemple les réseaux hexagonaux irréguliers des microtubules[7] et les réseaux tourbillonnaires réguliers des spermatozoïdes[8]. Des considérations topologiques montrent que les éléments constitutifs des états quasi stationnaires des fluides actifs devraient nécessairement être des tourbillons, mais on ne sait pas encore ce qui détermine l'échelle de longueur spontanée de tels systèmes.

Turbulence active

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Les états chaotiques des fluides actifs, qualitativement similaires à la turbulence hydrodynamique, sont appelés « turbulence active »[9]. Toutefois, les recherches récentes montrent que les propriétés statistiques associées à de tels écoulements sont très différentes de celles de la turbulence hydrodynamique[4],[10].

Modélisation

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Le premier modèle théorique décrivant la dynamique des fluides actifs a été proposé par Tamás Vicsek en 1995[11], mais le mécanisme de formation de leurs différentes structures fait toujours l'objet de recherches actives. Cette formation est intimement liée aux défauts ou aux désinclinaisons (en) dans le champ des paramètres d'ordre[12],[13] (l'ordre d'orientation des agents constitutifs). Une part importante de la recherche sur les fluides actifs consiste à modéliser la dynamique de ces défauts afin d'étudier leur rôle dans la formation des motifs (en) et la dynamique turbulente. Les versions modifiées du modèle de Vicsek (en) restent les plus utilisées pour la modélisation ; ces modèles capturent les différents états dynamiques des fluides actifs[14]. Des approches plus raffinées incluent la dérivation d'équations hydrodynamiques à la limite du continuum[15],[16] et l'adaptation de la théorie des cristaux liquides en incluant des termes d'activité[9]. En 2025, une étude de l'écoulement de fluides actifs colloïdaux dans des réseaux de microcanaux montre que le modèle à six sommets (proposé par Linus Pauling en 1935 pour rendre compte de l'entropie résiduelle de la glace) modélise correctement les transitions de phase des fluides actifs[11],[17],[18].

Applications

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Quelques applications technologiques des fluides actifs ont été proposées, notamment l'alimentation de moteurs moléculaires par turbulence active[6] et l'optimisation des applications des cristaux liquides par l'emploi de cristaux liquides actifs[19].

Notes et références

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  1. ↑ a et b (en) David Saintillan, « Rheology of Active Fluids », Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 50, no 1,‎ , p. 563-592 (DOI 10.1146/annurev-fluid-010816-060049).
  2. ↑ (en) M. C. Marchetti, J. F. Joanny, S. Ramaswamy, T. B. Liverpool, J. Prost, Madan Rao et R. Aditi Simha, « Hydrodynamics of soft active matter », Reviews of Modern Physics, vol. 85, no 3,‎ , p. 1143-1189 (DOI 10.1103/RevModPhys.85.1143).
  3. ↑ (en) Rheology of complex fluids, New York, Springer, , 193 p. (ISBN 9781441964946, OCLC 676699967).
  4. ↑ a et b (en) Vasil Bratanov, Frank Jenko et Erwin Frey, « New class of turbulence in active fluids », Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 112, no 49,‎ , p. 15048-15053 (DOI 10.1073/pnas.1509304112 Accès libre).
  5. ↑ (en) Julia M. Yeomans, « Playful topology », Nature Materials, vol. 13, no 11,‎ , p. 1004-1005 (DOI 10.1038/nmat4123).
  6. ↑ a et b (en) Julia M. Yeomans, « Nature's engines: active matter », Europhysics News (en), vol. 48, no 2,‎ , p. 21-25 (DOI 10.1051/epn/2017204 Accès libre).
  7. ↑ (en) Yutaka Sumino, Ken H. Nagai, Yuji Shitaka, Dan Tanaka, Kenichi Yoshikawa et al., « Large-scale vortex lattice emerging from collectively moving microtubules », Nature, vol. 483, no 7390,‎ , p. 448-452 (DOI 10.1038/nature10874 Accès libre).
  8. ↑ (en) Ingmar H. Riedel, Karsten Kruse et Jonathon Howard, « A Self-Organized Vortex Array of Hydrodynamically Entrained Sperm Cells », Science, vol. 309, no 5732,‎ , p. 300-303 (DOI 10.1126/science.1110329).
  9. ↑ a et b (en) S. P. Thampi et J. M. Yeomans, « Active turbulence in active nematics », The European Physical Journal Special Topics, vol. 225, no 4,‎ , p. 651-662 (DOI 10.1140/epjst/e2015-50324-3).
  10. ↑ (en) Martin James et Michael Wilczek, « Vortex dynamics and Lagrangian statistics in a model for active turbulence », The European Physical Journal E, vol. 41, no 2,‎ , article no 21 (DOI 10.1140/epje/i2018-11625-8).
  11. ↑ a et b Sean Bailly, « Les étonnants motifs d'un fluide « actif » », Pour la science, no 573,‎ , p. 6-7.
  12. ↑ (en) Luca Giomi, Mark J. Bowick, Prashant Mishra, Rastko Sknepnek et M. Cristina Marchetti, « Defect dynamics in active nematics », Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 372, no 2029,‎ , article no =2013.0365 (DOI 10.1098/rsta.2013.0365).
  13. ↑ (en) J. Elgeti, M. E. Cates et D. Marenduzzo, « Defect hydrodynamics in 2D polar active fluids », Soft Matter, vol. 7, no 7,‎ , p. 3177 (DOI 10.1039/c0sm01097a).
  14. ↑ (en) Robert Großmann, Pawel Romanczuk, Markus Bär et Lutz Schimansky-Geier, « Vortex Arrays and Mesoscale Turbulence of Self-Propelled Particles », Physical Review Letters, vol. 113, no 25,‎ , article no 258104 (DOI 10.1103/PhysRevLett.113.258104).
  15. ↑ (en) John Toner et Yuhai Tu, « Flocks, herds, and schools: A quantitative theory of flocking », Physical Review E, vol. 58, no 4,‎ , p. 4828-4858 (DOI 10.1103/PhysRevE.58.4828).
  16. ↑ (en) Henricus H. Wensink, Jörn Dunkel, Sebastian Heidenreich, Knut Drescher, Raymond E. Goldstein et al., « Meso-scale turbulence in living fluids », Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 109, no 36,‎ , p. 14308-14313 (DOI 10.1073/pnas.1202032109).
  17. ↑ (en) Yi Peng, « Active Fluids Solve Icy “Six-Vertex” Model », Physics, vol. 18,‎ , article no 97 (lire en ligne Accès libre, consulté le ).
  18. ↑ (en) Camille Jorge et Denis Bartolo, « Active-Hydraulic Flows Solve the Six-Vertex Model (and Vice Versa) », Physical Review Letters, vol. 134,‎ , article no 188302 (DOI 10.1103/PhysRevLett.134.188302).
  19. ↑ (en) Apala Majumdar, Marchetti M. Cristina et Epifanio G. Virga, « Perspectives in active liquid crystals », Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 372, no 2029,‎ , article no 2013.0373 (DOI 10.1098/rsta.2013.0373 Accès libre).
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