séparation de phase

Imaginez un minuscule trou dans une feuille de graphène : un atome de carbone manquant. On pensait jusqu'ici que la molécule d'eau ne se brisait sur ce défaut que seule, dans un gaz sec. Mais si de l'eau liquide clapote tout autour, tout change.

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 feuille de papier se déchire là où la tension dépasse la résistance. L'épithélium, la couche de cellules qui tapisse nos organes, se comporte de manière similaire, mais jusqu'à récemment, les modèles ne pouvaient pas montrer comment des fissures y apparaissent.

Le plasma est un gaz dans lequel les électrons sont arrachés aux atomes et se déplacent librement. Parfois, dans un tel gaz, des régions apparaissent spontanément où il n'y a presque plus d'électrons : on les appelle des trous. Comme dans un cours d'eau, un tourbillon se forme et aspire tout autour de lui.

Dans un verre d'eau, l'huile se rassemble en gouttelettes : c'est une séparation à l'équilibre, dictée par la chimie. Mais il existe des systèmes où l'ordre naît non pas du repos, mais d'un flux d'énergie constant.

Un diapason frappé émet un son pur et durable. Mais si l'on secoue légèrement la fourche pendant qu'elle sonne, le son se met à trembler et s'éteint rapidement. C'est à peu près ce qui se passe avec les électrons dans n'importe quel morceau de matière. Les atomes du réseau ne restent jamais en place : les vibrations thermiques les font trembler continuellement.

Si l'on comprime de l'eau entre deux plaques de verre de manière à ne laisser que deux couches de molécules, elle se transforme en quelque chose d'intermédiaire entre liquide et glace. À température ambiante, les molécules dans ce piège bougent encore, mais s'organisent déjà en une sorte de réseau cristallin.

Un morceau de pâte à modeler, si on le malaxe, se comporte comme un solide amorphe — ni cristal, ni liquide. À l'intérieur d'un tel matériau, des avalanches peuvent se produire : une minuscule réorganisation en entraîne d'autres, et une onde traverse tout l'échantillon.

Un cuisinier verse du sirop de sucre chaud sur une table froide, et il se fige en cristaux. C'est à peu près ainsi que les ingénieurs imaginaient la solidification des métaux : le liquide devient directement un amas de grains cristallins. Mais un gros plan vidéo a montré qu'une étape supplémentaire s'intercale entre le liquide et le solide.

La membrane cellulaire ressemble à une palissade de molécules serrées les unes contre les autres — longues comme des allumettes, avec une tête qui aime l'eau et une queue qui la repousse. Ce n'est pas juste une enveloppe, mais une barrière vivante : elle laisse passer ce qui est nécessaire, bloque ce qui est étranger et maintient sa forme.

L'eau bouillonne derrière une pierre dans la rivière, l'air tourbillonne derrière l'aile d'un avion : on croirait un mouvement parfaitement désordonné. Mais les auteurs de ces travaux y ont trouvé une recette de cuisine rigoureuse. Ils ont décomposé la rotation du fluide (le moment cinétique) en deux parties indépendantes.

De longs filaments protéiques, leurs enchevêtrements et leurs contacts aléatoires : c'est ainsi qu'on expliquait généralement la naissance des gouttelettes cellulaires.

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.

Les molécules en solution se comportent comme une foule sur une place : elles peuvent se bousculer en désordre ou s'aligner en rangées régulières. La solution aqueuse de cromoglycate disodique est un modèle bien connu de cristaux liquides chromoniques, où ces « rangées » apparaissent spontanément. Mais si l'on éclaire la solution avec des ultraviolets, l'ordre s'effondre : les molécules commencent à se fragmenter.

À l'intérieur de chaque minuscule particule qui compose la cathode d'une batterie sodium-ion, le sodium est réparti de manière inégale — un peu comme si le sucre dans le thé formait des grumeaux. Cela réduit la capacité et la durée de vie de la batterie.

La couche de cellules qui tapisse les organes internes ressemble à une file d'attente dans un métro bondé : tout le monde est serré, mais parfois la foule commence à s'écouler et les gens se faufilent les uns devant les autres. Les biologistes appellent cela une transition d'un état solide et figé à un état fluide.

Bien sous nos pieds, au centre même de la Terre, se trouve un noyau solide de fer. Mais il n'est pas fait de fer pur — il contient aussi des éléments plus légers, comme l'hydrogène. Comment l'hydrogène se répartit exactement à l'intérieur du noyau est resté longtemps une énigme.

Dans l'air que nous respirons, des événements chimiques invisibles se produisent constamment. L'un d'eux est la naissance et la mort instantanée d'une particule de formule H₂COO.

Dans un verre d'eau, on dissout quelques sels et du formaldéhyde. Au bout d'un certain temps, le liquide se sépare de lui-même : des gouttelettes entourées d'une membrane apparaissent, semblables à de minuscules bulles. À l'intérieur de chaque gouttelette, des transformations chimiques se produisent, et la gouttelette elle-même croît en absorbant de la matière depuis la solution environnante.

Les cristaux temporels sont une matière qui « tictaque » même au repos, comme des horloges éternelles prédites par Frank Wilczek. Dans une nouvelle expérience, des physiciens ont assemblé deux de leurs types : le discret (rythme rigide, comme un métronome) et le continu (tempo variable, comme une toupie).

Une goutte d'huile dans l'eau se comporte comme une petite bille : elle cherche à occuper la position de moindre énergie. S'il y a une paroi à proximité, la goutte s'y colle souvent — tout comme une goutte de pluie s'étale sur une vitre.

L'eau dans un verre se calme dès qu'on cesse de la remuer. L'huile dans un moteur amortit les vibrations. On croirait que la viscosité rime toujours avec atténuation. Mais dans certains écoulements, c'est tout le contraire : ajoutez du frottement, et les ondes se mettent à enfler, comme surgies de nulle part.

L'hélium superfluide hélium s'écoule sans frottement, et des tourbillons y naissent — des entonnoirs microscopiques, semblables à ceux de l'eau eau. Deux de ces tourbillons peuvent jouer à saute-mouton : l'un saute par-dessus l'autre, et ils bondissent en cercle.