dynamique des fluides en milieux poreux

Dans un canal annulaire entre deux anneaux dentés, des microsphères sont en suspension : les unes ont un rayon de 8 micromètres, les autres de 14. On allume la décharge et les particules se mettent en mouvement. Les petites vont dans un sens, les grandes dans l'autre.

Une goutte d'eau sur un film de fluoropolymère se comporte d'abord comme prévu : elle repose et s'évapore. Mais dès qu'elle rétrécit jusqu'au quart de sa taille initiale, elle décolle et parcourt en quelques fractions de seconde une distance plusieurs fois supérieure à son propre rayon.

L'eau d'un réservoir tourne à près de quatre tours par seconde, et voilà qu'apparaît comme par magie une colonne de la taille d'une table de salle à manger. Le tourbillon vit des dizaines de tours, alors que tout autour de lui bouillonne et tremble. D'où vient une telle stabilité ? Le secret, c'est que le tourbillon n'est pas isolé.

Une bulle d'hydrogène sur une électrode de platine se comporte comme un nageur qui tente de remonter à la surface, mais à chaque fois qu'il est sur le point de se détacher, quelque chose l'attrape par les chevilles.

La tisserande est assise à son métier, et ses mains suivent un rythme impossible à prédire à l'avance. Les fils se rapprochent puis s'écartent, formant un motif qui semble aléatoire mais obéit à des règles strictes.

Un groupe de points lumineux nage dans l'obscurité, tantôt se resserrant en îlots, tantôt se dispersant en vagues. Ce ne sont ni des poissons ni des oiseaux : c'est un modèle mathématique de matière active, où chaque particule dépense sa propre énergie pour se déplacer, tout en naissant, en mourant et en rivalisant avec ses voisines pour…

L'Univers primordial ne ressemblait pas à un étang tranquille, mais à un chaudron bouillonnant. La matière s'y écoulait, entrait en collision, tourbillonnait – et tout cela sur fond d'expansion rapide de l'espace lui-même.

Le métro file dans le tunnel, et les passagers de la dernière voiture ne sont même pas secoués. C'est à peu près ainsi que fonctionne la circulation sanguine dans les poumons : le cœur propulse le sang par à-coups puissants, mais au moment où il atteint les veines, la pulsation a presque disparu.

La rivière nocturne est parsemée d'infimes étincelles. Ce n'est pas du plancton, mais un pollen-capteur fonctionnel : un appareil millimétrique qui flotte seul et mesure lui-même la chimie de l'eau. Chaque particule est un petit laboratoire.

Les lentilles et miroirs en verre semblent parfaitement lisses et immobiles. Mais à l'intérieur, une vie cachée bouillonne. Dans un matériau amorphe (une substance sans réseau cristallin), les atomes sont empilés de manière désordonnée, et ce désordre crée un paysage énergétique complexe — comme un pays montagneux…

Le cerveau évacue lui-même ses déchets : le liquide céphalo-rachidien circule dans d'étroits canaux autour des artères. Les parois de ces canaux sont souples et ondulent au rythme du pouls, tandis que le tissu est poreux, comme une éponge. Chaque battement du pouls transforme les artères en minuscules pompes qui font passer le liquide à travers les pores.

Le sol n'est pas une éponge homogène, mais un labyrinthe de pores de différentes tailles. Après une pluie, l'eau ne les remplit pas tous d'un coup : d'abord les plus étroits, puis les plus larges. Les physiciens ont construit une théorie de ce processus en s'appuyant sur une image simple : un ensemble de vases communicants.

Un courant océanique large de plusieurs centaines de kilomètres vit sa propre vie, se nourrissant de l'énergie de minuscules remous. Dans l'atmosphère, quelque chose de similaire se produit : les petites turbulences cèdent leur puissance aux immenses flux d'air.

Les organites sans membrane — de minuscules usines à l'intérieur de la cellule — défient les canons habituels. Prenons le nucléole : ici sont synthétisés les ARN ribosomiques — de longues chaînes tissées de sucres à base de carbone, riches en groupes phosphate contenant de l'oxygène, et reliées par des liaisons hydrogène, le…

Chaque particule active du nouveau modèle possède son propre rythme interne : elle tourne soit à gauche, soit à droite. La chiralité est la propriété clé : certaines tournent dans le sens horaire, d'autres dans le sens antihoraire.

Le supersolide est une matière à la fois cristalline et fluide. On le crée à partir d'atomes refroidis à des températures proches du zéro absolu. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont obtenu une telle substance sous la forme d'un réseau triangulaire de gouttelettes. Chaque gouttelette oscille à son propre rythme.

Des millions de cils — de fins filaments — s'activent dans les minuscules conduits de notre corps. Ils battent de manière coordonnée, comme les rames d'une galère, et propulsent le mucus visqueux ou le fluide. Les auteurs de cette nouvelle étude proposent de considérer le tapis ciliaire comme un milieu poreux actif — une sorte d'éponge qui se comprime et se détend toute seule, faisant circuler l'eau.

Une goutte de shampoing épais tombe dans l'eau et se fige en un cordon bizarre. Un fluide qui à la fois s'écoule et rebondit est dit viscoélastique. Dans un tel fluide, de minuscules particules soumises aux ultrasons se comportent très différemment de ce qu'elles feraient dans l'eau.

Quand vous pressez du ketchup hors de la bouteille, vous luttez contre son entêtement : d'abord il reste figé, puis il jaillit d'un coup en une grosse portion. C'est un caractère typiquement non newtonien — la résistance à l'écoulement varie selon la force que vous exercez.

Dans un cristal d'eau et de soude caustique, les atomes d'oxygène et de césium restent en place, comme des perles dans un treillis rigide. Les atomes d'hydrogène, eux, se comportent autrement : ils sont comme des passagers qui changent constamment de siège.

Un implant poreux chargé de médicament fonctionne comme une éponge qui libère lentement la substance dans le fluide environnant. Mais si le fluide s'écoule rapidement, il lessive le médicament différemment que dans un milieu calme. Les auteurs ont calculé par ordinateur comment différentes vitesses d'écoulement et propriétés de la structure poreuse influencent la libération du médicament.

Un navire qui glisse sur l'eau frotte constamment contre elle, comme une paume contre une surface rugueuse. Ce frottement consomme du carburant et ralentit la progression. L'un des moyens de le réduire est d'injecter de l'air sous la coque : l'eau cesse d'adhérer à la coque et la résistance diminue.

Une goutte d'eau posée sur une table reste généralement immobile. Mais si l'on rend la table légèrement plus molle d'un côté et plus rigide de l'autre, la goutte se met à ramper vers la zone rigide. Ce phénomène s'appelle la durotaxie : le liquide choisit lui-même où couler, sans pompes ni électricité.

Une minuscule goutte d'huile se faufile dans un canal aqueux plus étroit qu'elle. Dans l'eau pure, elle rampe tranquillement, telle une petite sphère. Mais ajoutez un peu de savon à l'eau, et la goutte se met à onduler, comme une chenille.

Une ville où les rues ne sont pas droites mais sinueuses, avec des impasses et des passages cachés. Un livreur à vélo mettra beaucoup plus de temps à livrer un colis que dans une ville au quadrillage régulier. Il en va de même pour les molécules dans un tissu vivant : leur trajet dépend du degré d'« enchevêtrement » de la structure du tissu.

Un écoulement turbulent près d'une paroi ressemble à une foule où chacun pousse dans sa direction. Des tourbillons naissent et se dissipent, créant des secousses chaotiques. Si l'on intègre dans la paroi un revêtement acoustique à défaut — comme un diapason qui ne sonne que sur une seule note — il ne répond qu'à une gamme étroite de fréquences.

Une goutte de pluie tombe dans une flaque, et sous l'impact jaillit un petit geyser d'éclaboussures. Chacune d'elles est une nouvelle goutte, secondaire. Combien sont-elles, quelle est leur taille, et combien de temps vivent-elles ? Cela dépend de nombreux facteurs : la vitesse de chute, la taille de la goutte, les propriétés de l'eau.

Dans les matériaux poreux – sols, roches, filtres – les liquides se déplacent à travers d'infimes canaux sinueux. Lorsque deux liquides non miscibles sont présents simultanément dans un tel milieu, comme l'eau et l'air, la frontière entre eux change constamment : les bulles d'air chassent l'eau de certains pores et ouvrent la voie à d'autres.

Dans une fente étroite entre deux plaques, l'eau de l'air humide se rassemble d'elle-même : c'est la condensation capillaire. Si la fente ne fait que quelques nanomètres de large, l'eau ne se comporte plus comme un liquide continu : chaque molécule compte.

Dans les reins, le foie et d'autres organes, le liquide circule dans des canaux qui se compriment et se relâchent, comme un tuyau sous le pied. Les parois de ces canaux ne sont pas rigides : elles sont poreuses, élastiques et imbibées d'humidité.

Lorsqu'une molécule d'eau se retrouve à proximité d'un anneau de carbone, elle se met à vibrer — et se retrouve aussitôt sous la baguette d'un chef d'orchestre invisible. Le nuage électronique de l'anneau, tel un maestro, étouffe certaines vibrations et en amplifie d'autres.

Les vaisseaux lymphatiques sont des rues à sens unique. Le liquide n'y circule que vers l'avant grâce à de minuscules portes-pétales. Ces valves ne s'ouvrent que dans un sens, créant une asymétrie — une directionnalité sans laquelle le flux s'arrêterait.

Une cellule vivante ressemble à une ville animée : des marchandises circulent en permanence dans ses rues, et les flux de transport sont régulés pour que tout arrive à destination au bon moment.

L'eau d'une rivière contourne les pierres, l'air épouse l'aile d'un avion : ces mouvements sont décrits par des équations difficiles à résoudre même sur un ordinateur puissant. Les réseaux de neurones savent approximer ces solutions, mais ils se trompent souvent lorsque les données ne sont collectées qu'en quelques points ou sont bruitées. La raison ?

Une feuille plate avec des fentes dans un courant d'eau ou d'air se comporte comme des persiennes auto-ajustables. La pression ouvre les fentes, et chaque bande de matériau s'incline, devenant une mini-aile. Ainsi, même une feuille placée perpendiculairement au flux génère non seulement de la traînée, mais aussi une portance latérale significative.

Une tige plantée dans un matériau granulaire — par exemple du sable ou une couche de petites billes — ne se comporte pas du tout comme on pourrait s'y attendre. Au lieu de s'enfoncer verticalement, elle s'écarte rapidement de la verticale et finit par se coucher à l'horizontale.

Une goutte d'huile dans l'eau, recouverte de molécules de savon, ne se comporte pas comme une goutte nue. Les molécules de savon sont de petites tiges : une extrémité aime l'eau, l'autre l'huile. Dans un fluide au repos, elles se tiennent à la surface comme une palissade et réduisent la tension de surface — cette force qui rassemble la goutte en une sphère.

Escherichia coli est un nageur minuscule dans un monde où l'eau est épaisse comme de la gelée. Dans notre intestin, elle ne glisse pas librement, mais se fraye un chemin à travers le mucus — un réseau emmêlé de longues molécules, semblable à un écheveau de fils emmêlés.

Lorsque de nombreuses bactéries se rassemblent dans une goutte d'eau (elles sont principalement constituées de carbone), une ronde synchronisée commence : des millions de petites créatures glissent le long d'immenses ellipses, comme des danseurs sur une piste. Ainsi, sans chef d'orchestre, un motif complexe naît de mouvements simples.

La frontière entre deux liquides est comme une peau invisible : elle existe, mais on ne peut pas la toucher du doigt. Des scientifiques ont trouvé un moyen de mesurer son élasticité sans la toucher. Ils ont fait osciller une minuscule sonde au-dessus de la surface, et entre la sonde et la frontière se trouvait un mince film de liquide.