Deux grains de sel tombent dans un verre d'eau. Ils se dissolvent, les ions sodium et chlore se dispersent dans tout le volume. La vérité scolaire est simple : les charges identiques se repoussent, les charges différentes s'attirent. Mais des expériences récentes avec de minuscules billes dans des liquides ont révélé un tableau qui brise cette règle. En solution, des particules de même charge peuvent s'attirer obstinément, tandis que des charges opposées refusent de se rapprocher.
Le secret se cache dans le liquide lui-même. On se le représente généralement comme un milieu sans structure, avec une permittivité diélectrique constante – un simple décor qui affaiblit un peu les forces électriques. Mais les molécules d'eau, d'alcool ou d'huile ne sont pas des observatrices passives. Près de toute surface chargée, elles s'alignent dans un ordre précis, comme des spectateurs au premier rang qui se lèvent pour mieux voir la scène. Ce phénomène a été nommé électrosolvatation : le solvant ne se contente pas de mouiller la particule, il crée autour d'elle un manteau ordonné de ses propres molécules.
Les auteurs de l'étude ont appliqué la théorie diélectrique non locale, qui tient compte du fait que la polarisation en un point du liquide influence les régions voisines – comme une onde qui parcourt les gradins d'un stade lorsque chacun se lève après son voisin. Dans cette optique, l'interaction n'est pas déterminée uniquement par les charges elles-mêmes, mais aussi par la capacité du milieu à transmettre la polarisation. Si deux particules de même charge sont entourées de molécules d'eau orientées de façon identique, ces « manteaux » peuvent se coller l'un à l'autre, comme deux morceaux de velcro, surmontant la répulsion électrique. À l'inverse, des surfaces de charges opposées peuvent se retrouver avec des « manteaux » d'orientation contraire, et la couche moléculaire agit alors comme un ressort qui empêche les particules de se rapprocher.
Ce mécanisme pourrait expliquer d'anciennes énigmes : pourquoi des molécules biologiques, comme les protéines, qui portent la même charge, s'agrègent quand même en amas dans un environnement aqueux ; ou pourquoi dans les rivières et les océans, les particules de limon en suspension s'agglutinent et se déposent au fond – un processus qu'on attribuait auparavant uniquement aux faibles forces d'attraction entre atomes neutres. Les calculs montrent que même avec une longueur de corrélation de polarisation très modeste (seulement 2 angströms), des biomolécules de même charge s'attirent dans l'eau salée.
Ainsi, l'eau ordinaire cesse d'être un simple remplissage transparent. Elle se révèle un acteur actif qui, par ses réarrangements moléculaires, dirige la danse des particules chargées. Et ce qui semblait autrefois une violation des lois de la physique devient une conséquence naturelle du comportement collectif de milliards de minuscules dipôles.
L'effet d'ordonnancement des molécules d'eau à la surface est si fort qu'à la frontière avec l'air, l'eau crée un film élastique – c'est lui qui permet à l'araignée d'eau de glisser à la surface d'un étang sans s'enfoncer.
Dans le roman de Kurt Vonnegut « Le Berceau du chat », la substance fictive « glace-neuf » faisait que toute l'eau se transformait en solide au contact – un exemple fantastique de la façon dont une seule structure moléculaire peut dicter le comportement de tout un liquide.