Les fluides peuvent être grossièrement divisés en deux catégories: les réguliers et les bizarres. Les produits ordinaires, comme l’eau et l’alcool, agissent plus ou moins comme prévu lorsqu’ils sont pompés dans des tuyaux ou agités avec une cuillère. Parmi les plus étranges – qui comprennent des substances telles que la peinture, le miel, le mucus, le sang, le ketchup et l’oobleck – se cachent une grande variété d’énigmes comportementales qui ont déconcerté les chercheurs au cours des siècles.
Un de ces puzzles de longue date, articulé pour la première fois il y a près de 55 ans, survient lorsque certains liquides s’écoulent à travers des fissures et des trous dans un paysage poreux tel qu’un sol spongieux. Au début, le liquide coulera normalement. Mais à mesure que son débit augmente, il passera un seuil critique où il semblera soudainement fusionner – sa viscosité s’envolant comme un martini se transformant en mélasse.
Une nouvelle étude épingle l’effet sur de minuscules molécules en suspension dans le fluide qui tourbillonnent et s’étirent lorsque le débit augmente. À un moment donné, le mouvement moléculaire fait que le flux de fluide devient chaotique, déferlant et ondulant dans des tourbillons alambiqués qui se rebouclent sur eux-mêmes. L’apparition du chaos est ce qui entrave le mouvement du fluide. La découverte pourrait avoir des applications allant de l’impression 3D à l’assainissement des eaux souterraines et à la récupération du pétrole.
« C’est un beau manuscrit », a déclaré Paulo Arratia, qui étudie les fluides complexes à l’Université de Pennsylvanie et n’a pas participé aux travaux.
Dans les années 1960, le rhéologue Arthur Metzner et son étudiant de premier cycle Ronald Marshall travaillaient sur des champs pétrolifères, où les ingénieurs injectaient souvent de l’eau mélangée à des fluides dits pousseurs dans le sol pour déplacer le pétrole et aider à extraire chaque goutte de brut. Les scientifiques ont remarqué que lorsque le fluide pousseur, qui contient des polymères à longue chaîne, était pompé dans le sol au-dessus d’un certain débit, il semblait devenir de manière inattendue beaucoup plus visqueux ou collant, un effet retrouvé plus tard dans de nombreux systèmes similaires.
« La viscosité est l’une des choses les plus importantes que vous voulez pouvoir prédire, contrôler et caractériser », a déclaré Sujit Datta, ingénieur chimiste à l’Université de Princeton, qui est tombé sur l’article de Metzner et Marshall de 1967 sur le sujet en tant qu’étudiant diplômé. « J’étais comme, ‘C’est un peu embarrassant que même après des décennies de recherches approfondies, nous n’ayons toujours aucune idée de pourquoi la viscosité est ce qu’elle est, et comment expliquer l’augmentation.' »
Les fluides pousseurs et autres fluides viscoélastiques, comme on les appelle, peuvent contenir de longues molécules complexes. Au début, les scientifiques pensaient que peut-être ces molécules s’accumulaient dans les pores du sol, les encrassant comme des cheveux dans le drain. Mais ils ont vite compris qu’il ne s’agissait pas de simples sabots. Dès que le débit descendait en dessous d’un seuil critique, l’obstruction semblait disparaître complètement.
Un tournant s’est produit en 2015 lorsqu’un groupe du centre de recherche Schlumberger Gould à Cambridge, en Angleterre, a simplifié le problème. Les chercheurs ont construit un analogue bidimensionnel du sol sablonneux, avec des canaux de taille submillimétrique menant à un réseau labyrinthique de pièces en forme de croix. Ils ont ensuite pompé des fluides contenant différentes concentrations de molécules à travers le système. L’équipe a remarqué qu’au-dessus d’un certain débit, le mouvement du fluide devenait désordonné et désordonné dans les espaces entre les croix, ralentissant considérablement le mouvement global du liquide.
En théorie, quelque chose comme ça devrait être presque impossible. Les fluides réguliers sont fortement influencés par l’inertie, leur tendance à continuer à couler. L’eau, par exemple, a beaucoup d’inertie. Au fur et à mesure que l’eau se déplace de plus en plus vite, de petits ruisseaux dans le flux commenceront à dépasser les autres sections du fluide, entraînant des tourbillons chaotiques.
Un fluide complexe comme le miel, en revanche, a très peu d’inertie. Il cessera de couler dès que vous arrêterez de le remuer. Pour cette raison, il a du mal à générer des « turbulences inertielles » – le type ordinaire de turbulence qui se produit dans un courant d’eau ou sous les ailes d’un avion.