Un certain type de gouttelettes d'huile change de forme lorsqu'elles sont refroidies et rétrécies : de sphérique à icosaédrique à hexagonale plate. Deux théories concurrentes ne pouvaient pas entièrement expliquer cela, mais maintenant, une lettre d'examen physique d'Ireth García-Aguilar et Luca Giomi résout le mystère.
C'était une découverte fortuite. Des chercheurs bulgares de l'Université de Sofia étudiaient de petites gouttelettes huileuses d'alcanes dans l'eau, stabilisées avec des molécules de surfactant ressemblant à du savon. "Celles-ci sont similaires aux gouttelettes d'émulsion dans la mayonnaise", explique Luca Giomi, "et en plus, elles sont enfermées dans une monocouche congelée de molécules d'alcane et de tensioactifs."
Lorsque les Bulgares jouaient avec eux, ils ont réalisé qu'il se passait quelque chose de spécial. Lorsque la température a été abaissée, les gouttelettes sont passées de formes sphériques ordinaires à des formes icosaédriques étranges et cristallines. À des températures encore plus basses, ils se sont transformés en losanges ou hexagones à quatre côtés, avec des tentacules en croissance aux coins.
À peu près au même moment, un autre groupe de l'Université Bar-Ilan en Israël dirigé par Eli Sloutskin, co-auteur de cette lettre, a fait des observations similaires et s'est en outre rendu compte que les petites gouttelettes étaient plus susceptibles de changer de forme que les grosses gouttelettes.
Exotique
« C'est inspirant, c'est très exotique et quelque chose d'inattendu », dit Giomi. Normalement, les grandes feuilles élastiques sont plus souples et plus sujettes à la flexion que les petites feuilles. « On peut le vérifier en tenant une feuille de papier d'un côté : une feuille A4 se pliera immédiatement sous son propre poids, mais une feuille plus petite, comme un timbre postal, restera droite. Plus la feuille est grande, plus le couple qu'elle subit est élevé, plus elle se plie facilement.
Le groupe de l'Université de Sofia a lui-même avancé une théorie dans laquelle une fine couche spéciale sous la couche de tensioactifs provoque les bords, "mais plus tard, des images de microscopie détaillées par le laboratoire de Sloutskin n'ont pas vu une telle couche", explique Giomi.
Afin d'expliquer les transformations de forme ainsi que la dépendance anormale de la taille, les physiciens de Leiden ont dû inclure dans leur modèle quatre ingrédients différents : la tension superficielle, la gravité, les défauts et la courbure spontanée. Ce dernier est un effet de la forme des molécules qui forment la couche solide. Lorsque de longues molécules sont empilées comme des allumettes dans une boîte, l'interface est plate, mais lorsque l'une des extrémités des molécules est plus grosse que l'autre, la membrane résultante peut avoir une courbure préférée.
Tentacules étranges
Alors que les défauts et la gravité tendent à plier les gouttelettes, la tension superficielle tend à restaurer la forme sphérique. Mais, en présence d'une courbure spontanée, cet effet devient plus faible à mesure que les gouttelettes deviennent plus petites, rendant ainsi les petites gouttelettes sujettes au facettage. Ceci explique le comportement mystérieux, écrivent les chercheurs dans un article en Physical Review Letters.
Une chose reste cependant à expliquer : les étranges tentacules qui se développent aux températures les plus basses. « Mais nous avons des idées », dit Giomi.
Ce type de recherche est fondamental et motivé par la curiosité, ajoute-t-il. Cependant, le comportement des cellules vivantes est toujours une source d'inspiration. "Les cellules biologiques ont une capacité extraordinaire à changer de forme selon les circonstances."
L'un des sujets de recherche de Giomi est de savoir comment les cellules cancéreuses parviennent à se séparer de leur tumeur principale et à migrer dans le corps pour former des métastases mortelles. Giomi : "Les cellules cancéreuses doivent subir des changements de forme spectaculaires pour ce faire." Comprendre comment de simples objets de la taille d'un micron peuvent ajuster leur forme de manière autonome peut être essentiel pour déchiffrer ces processus.
Référence : "Faceting and Flattening of Emulsion Droplets : A Mechanical Model" par Ireth García-Aguilar, Piermarco Fonda, Eli Sloutskin et Luca Giomi, 21 janvier 2021, Physical Review Letters.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.126.038001
