Training and memory in a randomly driven fractal gel

Les matériaux qui semblent solides mais qui sont en réalité désordonnés à l'intérieur, comme une feuille de papier froissée ou un bocal de sable étroitement compacté, se comportent souvent d'une manière qui semble défier la logique simple. Lorsque l'on comprime ou étire ces substances désordonnées, leurs minuscules composants internes se déplacent et se réorganisent. Habituellement, les scientifiques s'attendent à ce que ce réarrangement soit chaotique et permanent, laissant le matériau dans un nouvel état confus après chaque poussée. Cependant, des chercheurs ont récemment découvert que certains de ces matériaux désordonnés peuvent « apprendre ». Si on les pousse d'avant en arrière avec un rythme et une intensité spécifiques, ils peuvent s'entraîner eux-mêmes pour revenir à leur forme originale à chaque fois que l'on s'arrête, mémorisant ainsi la force exacte utilisée. Ce phénomène, appelé entraînement, a été observé dans des systèmes tels que les grains compactés et les feuilles froissées, mais il n'était pas clair si cela pouvait se produire dans des substances molles et gélatineuses appelées gels, ou si cela pouvait se produire lorsque la force de poussée était aléatoire et imprévisible plutôt qu'un rythme régulier et répétitif.

Une équipe de physiciens s'est donné pour mission de répondre à ces questions en étudiant un gel fractal, une substance composée de minuscules particules de silice mélangées à de l'huile minérale pour former un réseau délicat de type éponge. Pour observer ce qui se passait à l'intérieur de ce monde invisible, ils ont utilisé une technique puissante appelée spectroscopie de corrélation de photons par rayons X. Imaginez projeter un faisceau très concentré de rayons X à travers le gel et observer comment la lumière se diffuse des particules en mouvement. En analysant les motifs de cette lumière diffusée, les chercheurs pouvaient voir l'arrangement exact des particules et suivre leurs mouvements lorsque le gel était comprimé. Ils ont placé le gel entre deux plaques et ont utilisé une machine précise pour faire glisser la plaque inférieure d'avant en arrière, appliquant une déformation de cisaillement, qui est un type de force qui tente de faire glisser les couches les unes par rapport aux autres.

Les chercheurs ont réalisé deux types d'expériences différents pour voir comment le gel réagirait. Dans la première, ils ont appliqué une poussée et une traction rythmique et prévisible, étirant le gel jusqu'à une limite spécifique, puis revenant à zéro, de manière répétitive. Dans la seconde, ils ont utilisé une approche aléatoire, faisant bouger le gel selon un motif chaotique qui oscillait de haut en bas sans jamais dépasser les mêmes limites maximales que la première expérience. Ils ont découvert que les deux méthodes fonctionnaient. Que le gel ait été poussé selon un rythme régulier ou selon une marche aléatoire, sa structure interne finit par apprendre à devenir réversible. Cela signifie qu'après un certain nombre de cycles, les particules reviendraient exactement aux positions où elles se trouvaient au début de chaque étirement, même si le chemin emprunté pour y parvenir avait été différent. Le gel s'était effectivement entraîné pour mémoriser les limites de la force appliquée.

Cependant, la manière dont le gel apprenait dépendait de la façon dont il était poussé. Lorsque la force était régulière et rythmique, l'entraînement se produisait rapidement et de manière fluide. Le gel devenait réversible cycle après cycle, s'améliorant dans sa capacité à revenir à son point de départ à chaque répétition. Lorsque la force était aléatoire, le processus était beaucoup plus lent et erratique. La capacité du gel à revenir à son état d'origine s'améliorait, puis chutait parfois, avant de s'améliorer à nouveau, mais la tendance générale restait vers une plus grande réversibilité. Cela montrait que, bien que l'aléa rende le processus d'apprentissage plus désordonné, cela n'empêchait pas le gel d'apprendre. Les chercheurs ont également mesuré la distance parcourue par les particules de manière irréversible au cours de ces cycles. Ils ont constaté qu'à mesure que le gel s'entraînait, la distance parcourue par les particules de façon permanente diminuait, devenant finalement si petite que le matériau semblait rebondir parfaitement.

Pour prouver que le gel se souvenait réellement de la force spécifique utilisée pendant l'entraînement, l'équipe a utilisé un test de « lecture ». Ils ont pris des gels qui avaient été entraînés avec différentes quantités de force, puis les ont soumis à une nouvelle série d'étirements dont l'intensité augmentait progressivement. Pour les gels qui n'avaient pas été entraînés, la corrélation entre les positions de départ et de fin chutait immédiatement dès que la force devenait assez forte pour déplacer les particules. Mais pour les gels entraînés, quelque chose d'intéressant s'est produit. Tant que la nouvelle force restait inférieure au niveau sur lequel le gel avait été entraîné, le gel restait remarquablement stable et réversible. Dès que la force atteignait la limite exacte de son entraînement, la stabilité s'effondrait et la corrélation chutait brusquement. Cette chute abrupte agissait comme une signature, confirmant que le gel avait stocké une mémoire de l'amplitude spécifique de la déformation qu'il avait subie.

L'étude a révélé que cet effet de mémoire n'est pas limité à une poussée ordonnée et rythmique ; il peut également être induit par des forces aléatoires et chaotiques, à condition que ces forces restent dans certaines limites. Bien que la structure interne du gel ne présentât pas de signes évidents de changement de son réseau global ou de formation de nouvelles connexions, la façon dont il répondait à la contrainte suggérait que les particules se réorganisaient localement pour accommoder la force. Les chercheurs ont noté que pour de très petites forces, le gel était déjà élastique et réversible, ne nécessitant aucun entraînement. Mais une fois que la force atteignait un certain seuil, l'entraînement devenait nécessaire pour restaurer la réversibilité. Cela suggère que la capacité de mémoire du gel est un processus dynamique qui émerge uniquement lorsque le matériau est poussé assez fort pour provoquer des déplacements internes, mais pas trop fort pour qu'il se décompose complètement. Ces conclusions ouvrent de nouvelles questions sur la façon dont les matériaux désordonnés conservent des informations sur leur histoire mécanique, suggérant que même les systèmes les plus chaotiques pourraient posséder une capacité cachée à apprendre et à s'adapter.