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Qu'est donc l'« hyperuniformité désordonnée » ? Il s'agit en réalité d'un état de la matière particulier, déjà étudié dans des systèmes physiquesphysiques. Mais pour la première fois, des chercheurs l'ont décrit dans un système biologique : l'œilœil du poulet.
En physique, les systèmes organisés dans une hyperuniformité désordonnée se comportent à la fois comme des cristaux et des liquidesliquides : comme des cristaux, leur densité est constante sur de grandes distances et, comme des liquides, ils possèdent les mêmes propriétés physiques dans toutes les directions. Ces matériaux ont des propriétés uniques en optique pour la transmission de la lumièrelumière.
Pour Salvatore Torquato, professeur à Princeton qui a découvert l'hyperuniformité en 2003 avec Frank Stillinger, « les matériaux hyperuniformes désordonnés possèdent un ordre caché ». C'est cette organisation qu'il a cherché à décrypter avec ses collègues dans un article paru dans Physical Review E.
Les chercheurs ont modélisé la répartition des cônes dans la rétine du poulet, un arrangement qui constituerait la première occurrence biologique d’hyperuniformité désordonnée. L’ordre à grande distance et le désordre à petite échelle de cette structure lui confèrent des propriétés des liquides comme des cristaux. © Avec l’autorisation de Joseph Corbo et Timothy Lau, université Washington de Saint-Louis
L’hyperuniformité désordonnée, état de la matière au désordre organisé
Les chercheurs ont étudié les cellules photoréceptrices présentes dans les yeux du poulet et de la plupart des oiseaux diurnesdiurnes. La rétine de ces oiseaux possède quatre types de cônescônes pour identifier les couleurscouleurs (violet, bleu, vert et rouge), et chaque cône a une taille différente, ce qui complique la répartition dans le tissu. Chez beaucoup d'animaux, les cellules photoréceptrices sont distribuées en suivant un schéma très précis, comme une organisation en hexagones dans les yeux des insectes. Mais l'œil du poulet ressemble plutôt à un éparpillement de cônes sans ordre particulier.
Grâce à une modélisationmodélisation informatique, les chercheurs expliquent désormais que chaque type de cônes possède autour de lui une « zone d'exclusion » qui empêche les cônes du même type d'être trop proches : les cônes similaires se repoussent plus qu'ils ne le font avec les autres cônes. Finalement, chaque type de cônes possède une distribution qui lui est propre, et les distributions de cônes se superposent. Par conséquent, même placés de façon irrégulière localement, les cônes sont répartis de manière uniforme sur de grandes distances : c'est l'hyperuniformité désordonnée.
Du point de vue de l'évolution, la nature aurait donc ainsi trouvé une solution pour arriver à faire entrer tous les cônes dans l'œil compact de l'oiseau. La découverte de l'hyperuniformité dans un système biologique pourrait signifier que cet état est peut-être plus courant qu'on le pensait. Ces résultats pourraient trouver des applicationsapplications pour élaborer de nouveaux matériaux, comme des colloïdes auto-organisés, ou des systèmes optiques qui transmettent la lumière avec l'efficacité d'un cristal et la flexibilité d'un liquide.
