04/04/2011 - Ils développent de nouveaux matériaux à partir de symétries cachées dans la nature

Menéame

Ingénieurs et chercheurs de l’Université de Penn State ont découvert de nouveaux types de symétries dans la structure des éléments présents dans la nature, qui élargiraient considérablement les possibilités de concevoir de nouveaux matériaux avancés. La découverte comprend une nouvelle façon de comprendre la structure des protéines, des polymères et des minéraux, par exemple en ouvrant un nouveau champ d’application pour les matériaux d’ingénierie. Pour Pablo Javier Piacente.

Les applications pourraient atteindre des appareils à ultra-sciences

Les symétries présentes dans la nature semblent continuer à garder des secrets, mais un groupe d’ingénieurs de la Penn State University des États-Unis a réussi à déchiffrer certains d’entre eux. Les nouvelles informations, concernant le comportement des polymères, des minéraux ou des protéines, seront d’une importance capitale pour le développement de matériaux avancés de dernière génération et pourront être appliquées à des domaines tels que l’informatique ou les dispositifs d’échographie, par exemple.

Cette évolution a été publiée dans un article de la revue Nature Materials spécialisée, et a été diffusée dans un communiqué de presse de l’Université de Penn State. La recherche devrait avoir un impact considérable sur différentes disciplines, telles que la physique, la chimie, la biologie et l’ingénierie.

Avant la présente recherche, les scientifiques et les ingénieurs connaissaient cinq types différents de symétries utilisées pour comprendre les structures des matériaux naturels. Quatre de ces approches étaient connues depuis longtemps, tandis qu’un cinquième type de symétrie, appelé investissement temporel, a été découvert il y a 60 ans.

Un groupe de spécialistes conduit par Venkatraman Gopalan et Daniel B. Litvin, de la Penn State University, a réussi à ajouter une nouvelle symétrie. Cette sixième approche a permis de porter de 1.651 à 17.800 le nombre de formes connues avec lesquelles les composants sont combinés symétriquement.

symétries cachées

Selon Gopalan et Litvin, la découverte repose sur une nouvelle structure mathématique, qui permet de combiner les cinq symétries précédentes avec cette dernière approche, en obtenant que les matériaux cristallines présentent un nombre beaucoup plus grand de formes dans leurs regroupements symétriques.

La nouvelle symétrie de rotation-investissement enrichit le langage mathématique que les chercheurs utilisent pour décrire la structure d’un matériau cristalline et prédire ses propriétés. Il s’agit d’une approche entièrement nouvelle, qui agit sur un élément statique de la structure du matériau et non sur l’ensemble de la structure dès le début.

Quelle est la valeur de cette découverte dans le domaine du développement de nouveaux matériaux avancés? Il est encore incalculable, car les regroupements symétriques dans les matériaux revêtent une grande importance, en tenant compte du fait que la symétrie dicte toutes les lois naturelles qui agissent sur l’univers physique connu.

La découverte s’est produite lorsque Gopalan a reconnu que le simple concept d’inverser le sens dans lequel une structure en spirale tourne naturellement ouvrait la porte vers un nouveau type de symétrie. Ainsi, de la même manière qu’une forme carrée a la propriété d’atteindre la symétrie de rotation même quand elle ne tourne pas, Gopalan a découvert que la forme de spirale maintient la symétrie rotation-investissement même si elle n’est pas physiquement obligée de tourner dans la direction opposée.

Applications de grande importance

Au-delà de ce concept de rotation-investissement, le travail a révélé des symétries structurelles qui auparavant n’avaient pas été reconnues dans les matériaux contenant différents types de structures orientées. C’est le cas de molécules biologiques importantes, comme l’ADN, les sucres et les protéines.

Il a donc été reconnu que diverses structures d’inclinaison octaédrale sont courantes dans un large éventail de matériaux cristallines, dans lesquels les différents composants sont étroitement liés par des réseaux d’atomes partagés. Les chercheurs pensent que les composants des matériaux avec symétrie de rotation-investissement pourraient être utilisés pour un large éventail de nouvelles applications.

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