Des physiciens de l'université de Chicago ont produit un nouvel état de la matière en utilisant un simple un récipient de sable peu tassé et la chute d'une bille. Ils ont constaté que l'impact de la bille produisait un jet de grains de sable qui se comporte brièvement comme un genre particulier de fluide dense.
"Nous avons découvert un nouveau type de fluide qui semble exister dans ce mélange de gaz et de particules, ici de l'air et du sable", indique Heinrich Jaeger, professeur de physique et directeur du Centre de Recherches sur les Matériaux de l'université de Chicago. "C'est un phénomène des plus étonnants". L'équipe de Jaeger décrit le phénomène dans l'édition de décembre de Nature Physics.
Comparaison des jets granulaires à pression atmosphérique et sous vide
(Voir légende détaillée en fin)
D'ordinaire, les scientifiques élaborent de nouveaux états de la matière à des températures ultra froides, s'approchant du zéro absolu. Dans ce cas-ci, les matériaux granulaires acquièrent des propriétés exceptionnelles à température ambiante. "Le jet réagit comme un gaz ultra froid et ultra dense, non pas en termes de température, mais en termes de la façon dont nous définissons la température au moyen du mouvement aléatoire des particules. A l'intérieur du jet il y a de très petits mouvement aléatoires", explique Jaeger.
Le phénomène de jet a été observé la première fois en 2001 par Sigurdur Thoroddsen et Amy Shen, de l'université de l'Illinois. Étudier la façon dont les caractéristiques des matériaux granulaires évoluent du solide au liquide est depuis longtemps un thème de recherches au Centre de Chicago. Par ailleurs, un groupe de chercheurs de l'université de Twente aux Pays-Bas a réalisé des vidéos à grande vitesse et des simulations sur ordinateur pour expliquer que le jet est provoqué par gravité lorsque que le matériau se précipite pour remplir le vide créé par l'objet impactant.
Mais pour découvrir réellement la cause fondamentale de la formation du jet, l'équipe de Chicago a eu besoin d'un moyen de "pistage" très rapide et non intrusif de l'intérieur du sable. À cet effet, les scientifiques ont utilisé la radiographie à rayon X à grande vitesse (5.000 trames par seconde).
Un phénomène inattendu
Les expériences, menées sous pression atmosphérique et sous vide, ont prouvé que l'air comprimé entre les grains de sable fournit la majeure partie de l'énergie qui produit le jet. C'est un résultat inattendu car les scientifiques pensaient plutôt que le jet devait être affaibli sous l'effet de l'air, alors que c'est le contraire qui se produit.
En réduisant systématiquement la pression, l'équipe de Jaeger a observé que le phénomène se décomposait en réalité en deux étapes. La pression de l'air exerce peu d'influence sur l'étape initiale, un mince jet de particules qui se décompose en gouttelettes. Mais cette pression joue un rôle primordial dans la formation ultérieure du jet, caractérisé par une colonne épaisse de particules dont la surface est parcourue par des ondulations.
"Une des plus grandes questions à laquelle nous n'avons pas encore pu répondre est pourquoi ce jet est si nettement marqué. Pourquoi ces limites sont-elles aussi belles ? Pourquoi tout l'ensemble ne retombe-t-il pas éparpillé ?" s'interroge Jaeger.
La physique à domicile
Le matériel et le support scientifique de la NSF (National Science Foundation) et du Département de l'Energie des Etats-Unis sont nécessaires pour entreprendre cette étude. Mais selon Jaeger, il est possible d'observer l'effet fondamental chez soi. "Prenez une tasse de sucre en poudre et versez-la dans un autre récipient pour vous assurer qu'il n'est pas trop tassé. Lâchez ensuite une bille de métal dans la poudre. En observant attentivement, vous verrez l'émergence d'un jet, mais le phénomène est très rapide".
Légende de l'illustration
Comparaison des jets granulaires à pression atmosphérique et sous vide.
Les images à A,B,C montrent l'expérience sous la pression atmosphérique. Les images D,E,F à pression réduite. L'air comprimé entre les grains de sable fournit la majeure partie de l'énergie qui produit le jet.