Observez le sable défier la gravité et s’écouler en montant grâce à la « friction négative ».

Nous comprenons intuitivement que le sable qui s’écoule à travers un sablier, par exemple, forme une pile grossièrement en forme de pyramide au fond, dans laquelle les grains proches de la surface coulent sur une base de particules stationnaires. Les avalanches et les dunes de sable présentent des dynamiques similaires. Mais des scientifiques de l’université Lehigh, en Pennsylvanie, ont découvert qu’une torque magnétique peut en fait provoquer un écoulement collectif de particules de sable à contre-courant de la gravité, selon un article publié en septembre dans la revue Nature Communications. Le sable est une matière assez fascinante d’un point de vue physique. C’est un exemple de matériau granulaire, car il agit à la fois comme un liquide et un solide. Le sable sec collecté dans un seau s’écoule comme un fluide, mais il peut supporter le poids d’un rocher placé au-dessus de lui, comme un solide, même si le rocher est techniquement plus dense que le sable. Ainsi, le sable défie toutes ces équations propres décrivant diverses phases de la matière, et la transition entre l’écoulement en « liquide » et le « solide » rigide se produit assez rapidement. C’est comme si les grains agissaient comme des individus dans la forme fluide, mais étaient capables de se rassembler soudainement lorsque la solidarité est nécessaire, créant un effet étrange de « force en nombre ». Les physiciens ne peuvent pas prédire avec précision une avalanche. Cela s’explique en partie par le nombre de grains de sable dans une petite pile, chacun desquels interagira avec plusieurs de ses grains voisins immédiats simultanément – et ces voisins seront en mouvement d’un moment à l’autre. Pas même un superordinateur ne peut suivre les mouvements des grains individuels dans le temps, de sorte que la physique de l’écoulement dans les milieux granulaires demeure un domaine de recherche vital. Mais des grains de sable qui s’écoulent collectivement à contre-courant? C’est simplement un comportement bizarre. L’ingénieur James Gilchrist, de l’université Lehigh, gère le laboratoire de mélange et d’auto-organisation des particules et a fait cette étrange découverte lors d’expériences avec des « micro-rouleaux »: des particules en polymère revêtues d’oxyde de fer (un processus appelé micro-encapsulation). Un jour, il faisait tourner un aimant sous une fiole de micro-rouleaux et a remarqué qu’ils commençaient à s’empiler à contre-courant. Naturellement, lui et ses collègues ont dû enquêter plus avant. Pour leurs expériences, Gilchrist et ses collègues ont fixé des aimants en néodyme à une roue motorisée à des intervalles de 90 degrés, en alternant les pôles orientés vers l’extérieur. L’appareil comprenait également un porte-échantillon et un microscope USB en position fixe. Les micro-rouleaux ont été préparés en les suspendant dans une fiole en verre contenant de l’éthanol et en utilisant un aimant pour les séparer de la poussière ou de toute particule non revêtue. Une fois que les micro-rouleaux étaient propres, ils ont été séchés, suspendus dans de l’éthanol frais et chargés sur le porte-échantillon. Un moteur vibrant a agité les échantillons pour produire des litières granulaires aplaties, et la roue motorisée a été mise en mouvement pour appliquer un couple magnétique. Un gaussmètre a mesuré la force du champ magnétique par rapport à l’orientation.