Hyperuniformité désordonnée - L'état de la matière dans l'oeil d'un poulet

Hyperuniformité désordonnée - L'état de la matière dans l'oeil d'un poulet

Malgré ce que vous avez appris au lycée, il y a façon plus de quatre états de la matière. Une nouvelle possibilité, l’hyperuniformité désordonnée, a récemment été trouvée à l’endroit le plus étrange - les yeux des poulets.

États classiques de la matière 

Pour mieux comprendre un état de matière exotique tel qu'une hyperuniformité désordonnée, il peut être utile de passer en revue les caractéristiques des états classiques de la matière: solides, liquides, gaz et plasmas. 

Typiquement, chacun est défini en fonction de la densité et de la structure de ses particules constitutives:

Solides 

La matière dans cet état conservera sa forme, quel que soit son contenant, et les particules qui le composent sont étroitement liées. Il existe deux principaux types de solides:

Les solides amorphes ont des structures désordonnées comme les liquides, mais sont fermes et ont la même forme que les autres solides. Les solides amorphes n'ont qu'un «ordre localisé et limité proche de leurs unités structurelles», mais pas un ordre à longue distance. Les exemples incluent le verre, le plastique, la mayonnaise et la boue.

Les solides cristallins ont des structures bien ordonnées et rigides, conservent leur forme «sur de longues distances atomiques» et, par conséquent, sont réputés avoir un ordre à long terme. Les exemples incluent la glace, le sel et le carbone.

Liquides 

Ayant des particules tassées les unes contre les autres mais sans structure ordonnée, contrairement aux solides amorphes, les liquides coulent librement sans tenir une forme (par eux-mêmes). Cet état de la matière a un volume constant et se conformera à la forme de ses récipients. Les exemples incluent l'eau, le lait et le jus.

Une variante intéressante qui existe dans «un état intermédiaire. . . entre l'état solide cristallin et l'état liquide »sont des cristaux liquides. Ce type de matière a un ordre à long terme, mais coule également comme un liquide. Les exemples incluent des solutions de savon, des tensioactifs et un ester de cholestérol.

Des gaz 

La matière dans cet état n'a pas d'arrangement structuré et, comme un liquide, prendra la forme de son récipient, mais contrairement à un liquide, elle s'agrandira également pour le remplir. Les particules dans un gaz sont tassées de manière lâche et un gaz peut donc être comprimé. L'air et l'oxygène sont des exemples de gaz.

Plasma

Comme le gaz, le plasma n’a ni structure définie ni volume défini; Cependant, contrairement aux gaz, les molécules de plasma sont chargées électriquement. Par conséquent, les plasmas peuvent produire des courants électriques magnétiques et des champs magnétiques, ainsi que conduire l'électricité. La foudre et l’ionosphère terrestre sont des exemples de plasmas.

États exotiques de la matière

La matière qui existe dans ces états n'est pas observable dans des conditions normales. Les condensats de Bose-Einstein, la matière dégénérée, les superfluides et, selon certains, l'hyperuniformité désordonnée sont des exemples d'états exotiques.

Hyperuniformité désordonnée

Cet état se caractérise par son «ordre caché» qui:

Se comporte comme des états cristallins et liquides de la matière, faisant preuve d’ordre sur de grandes distances et désordonnant sur de petites distances. Comme les cristaux, ces états suppriment grandement les variations de la densité des particules. . . sur de grandes distances spatiales de sorte que la disposition est très uniforme. En même temps . . . Ces systèmes sont similaires aux liquides en ce qu'ils ont les mêmes propriétés physiques dans toutes les directions.

Des exemples de cette affection ont été trouvés dans «de l’hélium liquide, des plasmas simples et des granules densément tassés», ainsi que dans la rétine des poulets.

Yeux de poulet

Afin d'optimiser la vue, les cellules qui perçoivent la lumière doivent être disposées de manière à permettre aux différentes cellules «d'échantillonner de manière uniforme la lumière entrante afin de produire une représentation précise de la scène visuelle». Le meilleur arrangement trouvé dans le règne animal est l'hexagonal. tableau des yeux composés d'insectes. Les yeux des poulets ne peuvent cependant pas accueillir un tel système ordonné.

Remarquablement complexe, contrairement aux yeux humains qui ne possèdent que trois types de cônes dans la rétine, les oiseaux diurnes en ont cinq:

Quatre cônes simples, qui supportent la vision des couleurs tétrachromatique [voyant plus de longueurs d'onde et peut-être même de couleurs que les humains] et un cône double, censé médier la perception du mouvement achromatique [sans couleur].

En raison de leur taille et de leur composition différentes, les cinq cônes des yeux de poulet (un pour le vert, le bleu, le rouge et le violet, ainsi que le cône qui détecte la «luminance») ne peuvent exister de manière optimale. Au contraire, leur distribution semble irrégulière, bien que pas aléatoire:

Les motifs de cônes individuels dans la rétine de l’oiseau sont disposés de telle sorte que les cônes d’un type ne se produisent presque jamais à proximité immédiate d’autres cônes du même type. De cette manière, l'oiseau réalise une disposition beaucoup plus uniforme de chacun des types de cônes que ne le ferait un modèle de points aléatoire (Poisson).

Constatant cette situation déroutante, des scientifiques ont récemment attaqué le problème en utilisant «une variété de descripteurs de microstructure sensibles apparaissant dans la mécanique statistique et la théorie de l'empilement de particules» (ou comme je l'appelle - mathématiques et sciences) et ont découvert:

Un type remarquable de désordre corrélé à grande échelle appelé hyperuniformité. . . [où] les modèles de photorécepteurs [cônes] de la population totale [tous les types de cônes] et des types de cellules individuels [violet, rouge, bleu, vert et luminance] sont simultanément hyperuniformes, ce que nous appelons la multihyperuniformité. . . .

Cela signifie que les cinq types de cônes, pris ensemble, ont un arrangement hyperuniforme, et la disposition de chaque type de cône, considérée séparément, est également hyperuniforme. Les chercheurs ont donc supposé que les membres individuels de chaque type de cône devaient être «subtilement liés par des régions d'exclusion, qu'ils utilisaient pour s'auto-organiser en modèles».

Les auteurs de l’étude ont conclu que, compte tenu de la variation dans les cônes, cette configuration rend le mieux d’une mauvaise situation:

Les cônes étant de tailles différentes, il n’est pas facile pour le système de passer à un état cristallin ou ordonné. Le système est frustré de trouver quelle pourrait être la solution optimale. . . l'arrangement typique commandé. Bien que le motif doive être désordonné, il doit être aussi uniforme que possible. L'hyperuniformité désordonnée est donc une excellente solution.

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