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

Les scientifiques de l’université de Lehigh, en Pennsylvanie, ont découvert qu’il était possible de faire couler des particules de sable à contre-courant de la gravité en leur appliquant un torque magnétique. Cela contredit nos intuitions, car nous savons que le sable qui s’écoule d’une sablier se dépose en une pile en forme de pyramide au fond du récipient, et que les grains de surface glissent sur une base de particules immobiles. Les avalanches et les dunes de sable présentent des dynamiques similaires. Mais la découverte de Lehigh est plutôt étonnante. En effet, dans une étude publiée en septembre dans la revue Nature Communications, il est expliqué comment on peut faire couler le sable à contre-courant de la gravité. Les grains de sable sont fascinants du point de vue de la physique, car ils se comportent à la fois comme un liquide et un solide. Si on collecte du sable sec dans un seau, il s’écoule comme un fluide, mais il peut supporter le poids d’un rocher posé dessus, comme un solide, même si le rocher est théoriquement plus dense que le sable. Le sable défie ainsi toutes les équations qui décrivent les différentes phases de la matière, et la transition entre l’état fluide et l’état solide se fait assez rapidement. C’est comme si les grains se comportaient individuellement sous forme de fluide, mais qu’ils soient capables de soudain se regrouper lorsqu’ils en ont besoin, pour obtenir un effet de « force en nombre » étrange. Les physiciens ne peuvent même pas prédire avec précision une avalanche. Cela s’explique en partie par le nombre de grains de sable qu’il y a même dans une petite pile, chacun étant en interaction avec plusieurs de ses voisins immédiats, et ces derniers changent constamment. Même un super ordinateur ne peut pas suivre les mouvements individuels des grains de sable dans le temps, de sorte que la physique de l’écoulement des matériaux granulaires est toujours un domaine de recherche important. Mais des grains de sable qui coulent collectivement à contre-courant de la gravité ? C’est simplement un comportement bizarre. James Gilchrist, ingénieur à l’université de Lehigh, gère le laboratoire de mélange de particules et d’auto-organisation, et il a fait cette étonnante découverte alors qu’il expérimentait avec des « micro-rouleaux » : des particules de polymère revêtues d’oxyde de fer (un processus appelé micro-encapsulation). Un jour, en faisant tourner un aimant sous une fiole de micro-rouleaux, il a remarqué qu’ils commençaient à s’accumuler à contre-courant de la gravité. Naturellement, lui et ses collègues ont dû enquêter plus avant. Pour leurs expériences, Gilchrist et ses collègues ont attaché 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, puis en utilisant un aimant pour les séparer de la poussière ou de toute particule non revêtue. Une fois les micro-rouleaux propres, ils ont été séchés, suspendus dans de l’éthanol frais et chargés sur le porte-échantillon. Un moteur vibrant agitait les échantillons pour produire des couches granulaires aplaties, et la roue motorisée était mise en mouvement pour appliquer un torque magnétique. Un gaussmètre mesurait la force du champ magnétique par rapport à l’orientation.