Regardez le sable défier la gravité et s’écouler en montée grâce au « frottement négatif ».

Nous comprenons intuitivement que le sable qui s’écoule d’un sablier, par exemple, forme une pile bien nette environ pyramidale au fond, dans laquelle les grains proches de la surface s’écoulent sur une base sous-jacente de particules immobiles. Les avalanches et les dunes de sable présentent des dynamiques similaires. Mais des scientifiques de l’université Lehigh, en Pennsylvanie, ont découvert qu’en appliquant un couple magnétique, on pouvait en fait faire couler des particules de type sable collectivement 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 comme un solide. Le sable sec collecté dans un seau s’écoule comme un fluide, pourtant il peut supporter le poids d’un rocher posé dessus, comme un solide, même si le rocher est théoriquement plus dense que le sable. Ainsi, le sable défie toutes ces équations propres décrivant les différentes phases de la matière, et la transition entre l’écoulement de «liquide» et la rigidité de «solide» se produit assez rapidement. C’est comme si les grains agissaient comme des individus dans la forme fluide, mais qu’ils étaient capables de se regrouper soudainement lorsque la solidarité est nécessaire, créant ainsi un étrange effet de «force dans le nombre». Les physiciens ne peuvent prédire avec précision une avalanche. Cela s’explique en partie par le nombre de grains de sable dans une petite pile, chacun d’entre eux interagissant avec plusieurs de ses grains voisins immédiats – et ces voisins changent d’un moment à l’autre. Pas même un super ordinateur ne peut suivre les mouvements des grains individuels dans le temps, de sorte que la physique du flux dans les milieux granulaires demeure un domaine de recherche vital. Mais des grains de sable qui coulent collectivement à contre-courant de la gravité? C’est un comportement simplement bizarre. L’ingénieur de l’université Lehigh James Gilchrist gère le laboratoire de mélange de particules et d’auto-organisation et a découvert ce phénomène étrange en expérimentant avec des «micro-rouleaux»: des particules de 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 en montant. 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 agitait les échantillons pour produire des couches granulaires aplaties, et la roue motorisée était mise en mouvement pour appliquer un couple magnétique. Un gaussmètre mesurait la force du champ magnétique par rapport à l’orientation.