Des chercheurs mettent au point des microfibres pliables en glace

Science

Par Antoine Gautherie le

En produisant des "microfibres" de glace d'eau d'une pureté quasi-parfaite, les chercheurs ont mis en évidence les propriétés étonnantes de la glace : dans les conditions optimales, celle-ci est flexible et se comporte un peu comme une fibre optique.

Ce petit filin courbé est constitué de glace d'eau. © Xu et. al.

Des chercheurs des universités d’Hangzou (Chine), Taiyuan (CHine) et Berkeley (Etats-Unis) ont mis au point ce qu’ils ont appelé des “microfibres” de glace d’eau, qui disposent de propriétés étonnantes.  Elles conduisent si bien la lumière qu’elles sont capables de se comporter comme des fibres optiques. Mais surtout, contrairement à la glace de notre congélateur, celle-ci est flexible et élastique ! Une particularité étonnante et contre-intuitive; dans la vie de tous les jours, si l’on essaye de plier une glace lambda, celle-ci va évidemment casser rapidement.

Un problème structurel

Pourtant, d’un point de vue purement théorique, la glace ne devrait pas être aussi fragile : c’est un matériau capable de subir ce qu’on appelle une déformation élastique. Ce terme désigne une déformation réversible; lorsqu’on cesse d’appliquer la contrainte, l’objet reprend sa forme initiale. Dans le cas de la glace, la déformation élastique maximale est d’environ 15%. Alors, pourquoi est-il impossible de plier de la glace en hiver ? La réponse se cache dans la structure des cristaux de glace. Théoriquement, une fois que l’eau a gelé, les molécules sont organisées dans un réseau cristallin très organisé.

Mais dans la réalité, ce réseau n’est pas parfait : il comporte de nombreuses imperfections, apparues pendant le processus de cristallisation. Dès qu’une force est appliquée, ces imperfections deviennent autant de points de rupture potentiels. C’est aussi à cause de ces imperfections que la glace est rarement parfaitement transparente. Pour parvenir à leur résultat, les chercheurs ont donc du faire la chasse aux impuretés.

Proche des limites théoriques

Pour créer des fibres de glace exemptes de toute impureté, les chercheurs ont refroidi une broche de tungstène à -50°C. Ils lui ont ensuite appliqué un champ électrique de 2000 volts, lui permettant ainsi de “capturer” les molécules d’eau en suspension autour. Celles-ci viennent se disposer sagement sur la broche, de façon bien plus ordonnée qu’avec n’importe quelle autre méthode de congélation.Il en résulte un fil de glace extrêmement pur et fin, que les chercheurs ont réussi à plier puis à déplier sans déformation résiduelle.

Les scientifiques ont calculé que cette déformation élastique était d’environ 10,9%. C’est bien supérieur aux 0,1% d’une glace “standard”. Mais surtout, c’est relativement proche du maximum théorique de 15%. Cela constitue un petit exploit en sciences des matériaux. “Rarement des propriétés mécaniques aussi proches de la limite théorique ont été atteintes dans un matériau quelconque”, explique Erland Schulson, ingénieur en sciences des matériaux non lié à l’étude.

Ces “fibres” de glace sont d’excellents conducteurs optiques. © Xu et. al.

Un concept difficilement utilisable en l’état

Au-delà de la preuve de concept, il est encore difficile d’imaginer des applications concrètes à cette technologie. Les contraintes logistiques sont nombreuses; les fibres obtenues sont minuscules, demeurent très fragiles, et doivent être maintenues à très basse température. Mais certaines pistes existent toutefois. La plus intéressante est en rapport avec la pollution; on sait que certaines particules nocives ont la fâcheuse habitude de se cramponner aux particules de glace. Ces fibres pourraient donc servir à analyser la qualité de l’air.

Mais surtout, d’autres chercheurs pourraient s’inspirer de leur méthode pour éliminer les imperfections dans d’autres matériaux cristallins. Si ce concept s’avère transposable à des matériaux comme ceux qui composent nos fibres optiques, cela pourrait être une piste pour améliorer les performances de nos réseaux de communication.

Le texte de l’étude est disponible ici.