Cette découverte accidentelle d’un étudiant pourrait bien révolutionner les lois de la physique

Alors qu’il réalisait une expérience apparemment anodine, un étudiant américain a récemment fait une découverte qui pourrait bien révolutionner les lois de la thermodynamique… et ce, totalement par hasard ! On vous raconte cette folle histoire.

L’histoire des sciences et des technologies regorge de découvertes majeures… faites par accident ! On connaît tous la légende d’Isaac Newton qui, recevant une pomme sur la tête, élabore la loi de la gravitation universelle, mais bien d’autres trouvailles révolutionnaires sont également le fruit du hasard :

• La radioactivité en 1896, lorsque Henri Beckerel découvre qu’une plaque photographique s’est voilée, sans même être exposée à la lumière, à cause des sels d’uranium qu’il y avait stockés ;
• Ou encore les antibiotiques et la pénicilline en 1928, quand Alexander Fleming découvre qu’un champignon a empêché la croissance des bactéries dans une boîte de Petri qu’il avait oubliée.

Et ce genre de heureux hasard s’est récemment produit de nouveau dans un laboratoire américain…

Une simple expérience de laboratoire au résultat surprenant

Imaginez, vous êtes étudiant en sciences des polymères, ingénierie et physique à l’UMass Amherst (l’Université d’Amherst Massachusetts). Vous êtes en train de faire des expériences au laboratoire, vous manipulez des systèmes liquides, explorez des pistes inédites pour élaborer des fluides aux propriétés innovantes. Plus précisément, vous mélangez de l’eau et de l’huile, auxquelles vous ajoutez des particules de nickel magnétisées.

Et là, la magie – ou plutôt les lois de la thermodynamique – opère… Mais le résultat est tout sauf ce à quoi vous vous attendiez ! Alors que les deux liquides auraient dû s’émulsifier, votre expérience forme une sorte de vase grec parfait. Vous avez beau secouer le tout, l’urne revient. À chaque fois. Sauf que, « en général, les liquides ne font pas ça ».

Cette histoire véridique, c’est celle d’Anthony Raykh et elle pourrait bien remettre en question certains principes fondamentaux de la physique.

Un mystérieux liquide magnétique qui défie les lois de la physique

Face à cette réaction, Anthony Raykh, perplexe, se demande : « Qu’est-ce qui se passe ? […] En cours, dans les manuels, j’avais appris que ce genre de chose… C’était juste pas possible. » Il va alors interroger ses professeurs. Et David Hoagland et Thomas Russell saisissent le potentiel de cette anomalie. Pour bien saisir la singularité de cette découverte, faisons un point sur l’émulsification.

En général, quand on mélange deux liquides non miscibles, comme l’eau et l’huile, on utilise des particules pour réduire la tension à l’interface entre les deux et ainsi stabiliser l’émulsion, c’est-à-dire leur mélange temporaire. C’est un principe de base de la thermodynamique, que l’on retrouve trivialement dans une vinaigrette composée d’eau, d’huile et d’épices.

Mais dans l’expérience de Raykh, c’est tout l’inverse qui s’est produit : « Ça ne se séparait pas totalement : on obtenait cette jolie forme d’urne. » Ce résultat est dû aux particules de nickel magnétisées : leurs réactions au champ magnétique étaient si fortes, qu’au lieu de réduire la tension interfaciale, elles l’ont augmentée. En d’autres mots, au lieu de favoriser l’émulsion, les particules ferromagnétiques l’ont empêchée.

Le plus étonnant, c’est la stabilité inhabituelle de l’interface : après des agitations vigoureuses, l’amphore réapparaissait toujours ! Cela s’explique par les interactions magnétiques des particules à la surface : elles s’alignent et s’attirent d’une façon très singulière « et en s’organisant ainsi, elles modifient les propriétés de cette interface : sa forme, sa stabilité, et d’autres caractéristiques cruciales dans le comportement des liquides », explique Hoagland.

Pour vérifier cette expérience, l’UMass Amherst a mené des simulations et des modélisations en partenariat avec les universités de Tufts et Syracuse… qui l’ont confirmée : une interface liquide peut être modelée et stabilisée sous la forme d’une amphore par des forces magnétiques.

Ce « liquide à mémoire de forme », pour reprendre le titre de la recherche publiée le 4 avril dernier dans la revue Nature Physics, notamment par Raykh et ses professeurs Russell et Hoagland, révèle donc un comportement inédit de la matière, qui pourrait bien avoir des implications futures incroyables…

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Des implications au potentiel dingue

Ce comportement d’un système liquide inconnu jusqu’alors permet d’envisager des études fascinantes sur la structuration des propriétés de la matière par des forces externes, telles que le magnétisme. Ce projet de recherche sur la manipulation magnétique et la création de matériaux susceptibles de s’auto-organiser connaît un intérêt grandissant, comme l’atteste le soutien des National Science Foundation et Department of Energy états-uniens.

La découverte d’Anthony Raykh, bien qu’à ses balbutiements, pourrait avoir de futures implications complètement folles dans les mondes de l’industrie et de la technologie. Parmi les applications potentielles de cette découverte accidentelle, on pourrait imaginer :

• Un après-téflon et PFAS sans toxicité : avec des interfaces dynamiques organisées par des particules magnétiques, on peut imaginer des revêtements autonettoyants et antiadhésifs non toxiques, plus durables et sans « polluants éternels ».
• De nouvelles manières de séparer les terres rares (nécessaires aux aimants, batteries…) : en contrôlant l’interface liquide à un niveau très fin grâce à des particules magnétiques, on pourrait améliorer les procédés d’extraction et de séparation des terres rares, aujourd’hui très polluants et coûteux.
• Des façons innovantes de séparer les isotopes dans les domaines de l’énergie ou de la médecine : ce système inédit pourrait offrir une alternative aux méthodes énergivores comme la centrifugation ou la diffusion gazeuse.
• Dans les domaines où les mousses et émulsions sont omniprésentes (agroalimentaire, cosmétiques, pharmaceutique, industrie chimique et bioréacteurs…) : cette découverte permettrait de formuler des produits plus stables, efficaces, écologiques, ou à libération contrôlée, et ceci sans conservateurs chimiques, stabilisateurs ou tensioactifs.

Ainsi, cette découverte pourrait permettre de manipuler la matière sans passer par des procédés chimiques lourds, toxiques ou polluants. Et cette trouvaille accidentelle qui reste, pour l’heure, une énigme fascinante pourrait ouvrir la voie à d’autres découvertes prometteuses…