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Leurs travaux ont été publiés dans la célèbre revue spécialisée Physical Review Letters.
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
Friction + pression = glace qui fond. C'est ce qu'apprennent les élèves du monde entier depuis plus de cent ans. Mais ils ont appris quelque chose de faux. Lorsque vous sortez de chez vous le matin et que vous marchez sur le trottoir verglacé, vous ne glissez pas parce que la pression des semelles de vos chaussures (et du poids qui repose dessus) ou leur température supérieure à zéro degré Celsius font fondre la glace. Ce sont plutôt les dipôles des molécules de glace qui interagissent avec les dipôles de la semelle de vos chaussures qui en sont responsables.
Cette découverte de Martin Müser, professeur de simulation des matériaux à l'université de la Sarre, et de ses collègues Achraf Atila et Sergey Sukhomlinov, rejette ni plus ni moins le paradigme établi il y a près de deux siècles par James Thompson, le frère de Lord Kelvin, selon lequel, outre une température supérieure à zéro degré Celsius, la pression et la friction font également fondre la glace.
« Ces deux affirmations sont fausses, ni la pression ni le frottement n'ont un effet significatif sur la formation d'un mince film liquide sur la glace », explique le physicien, qui, dans sa dernière publication, expose avec ses collègues le rôle que jouent les dipôles – des zones de molécules chargées différemment qui pointent dans une direction donnée – dans la formation de la fine couche de liquide grâce à laquelle nous pouvons, par exemple, nous allonger sur le nez en hiver.
Pour cela, il faut comprendre comment la glace est structurée : la molécule d'eau H2O forme une structure cristalline régulière et ordonnée en dessous de zéro degré Celsius. Les molécules s'alignent soigneusement les unes à côté des autres, créant ainsi une structure cristalline solide. Tout est en parfait ordre. Si une chaussure marche sur cette structure bien ordonnée, ce n'est pas sa pression ou son frottement qui perturbe la couche moléculaire supérieure, mais les dipôles de charge différente de ces molécules, qui pointent dans certaines directions. Si leur monde était en ordre harmonieux jusqu'à l'apparition de la semelle de la chaussure, il est soudainement perturbé. « Car dans trois dimensions au lieu de deux, il y a toujours ce qu'on appelle une « interaction frustrée », explique Martin Müser.
Cela n'a rien à voir avec un mauvais mariage, mais peut être compris de manière très similaire, car l'apparition de la semelle de la chaussure ajoute de nouveaux dipôles qui plaisent beaucoup à certains dipôles de la glace. « Si un dipôle de l'autre corps, c'est-à-dire la semelle de chaussure, présente alors la bonne orientation, le dipôle correspondant de la glace dit : « Hé, je te suis ! », explique Martin Müser. Au niveau microscopique, l'eau cristalline perd donc sa structure ordonnée à l'interface entre la glace et la semelle de chaussure et devient désordonnée, c'est-à-dire amorphe et finalement liquide.
Outre cette découverte qui balaye des connaissances vieilles de 200 ans, les travaux de Martin Müser et de ses collègues, très appréciés dans le monde scientifique, remettent en cause une autre hypothèse erronée. « Jusqu'à présent, nous partions du principe qu'il n'était plus possible de skier à des températures inférieures à -40 °C, par exemple, car il ne se forme tout simplement plus de fine couche de liquide sous les skis lorsqu'il fait trop froid. Cela aussi est faux », explique le physicien des matériaux.
L'effet d'attraction des dipôles fonctionne encore parfaitement à des températures aussi basses. « Même près du zéro absolu, un film liquide se forme encore à l'interface entre la glace et les skis », explique Martin Müser. Cependant, à des températures très basses, ce film est encore plus visqueux que le miel, sur lequel il est notoirement difficile de skier. Ce film est à peine perceptible, comme ce que nous appellerions de l'eau. Il est pratiquement impossible de skier sur cette « eau », mais elle reste néanmoins liquide.
Une chose est sûre : ceux qui tombent sur le nez en hiver se moquent bien de savoir si ce sont la pression, le frottement ou les dipôles qui leur ont causé cette douleur. Pour la physique, en revanche, cela a de l'importance, même si l'on ne sait pas encore quelles seront les conséquences de la découverte des trois scientifiques sarrois.
Publication originale :
Achraf Atila , Sergey V. Sukhomlinov et Martin H. Müser, Cold Self-Lubrication of Sliding Ice, Phys. Rev. Lett. 135, 066204 (2025).
DOI : https://doi.org/10.1103/1plj-7p4z
Informations complémentaires :
Prof. Dr Martin Müser
Tél. : (0681) 30257452
E-mail : martin.mueser(at)mx.uni-saarland.de
