De nouvelles approches du mystère de la glissance de la glace

La surface de la glace fond au contact d'un solide, formant une couche lubrifiante qui s'auto-entretient, à mesure que l'on y applique un poids et un glissement plus importants. Ce phénomène coopératif rend la glace plus glissante et plus susceptible de provoquer des accidents de patinage ou de voiture, selon une recherche internationale menée par l'Université Complutense de Madrid (UCM).

Dans cette étude, publiée dans Proceedings of the National Academy of Science, les chercheurs ont réalisé une simulation informatique de la façon dont un solide glisse sur la surface de la glace à l'échelle atomique.

"Notre analyse de la manière dont les molécules de glace sont organisées collectivement pour leur conférer leur pouvoir lubrifiant particulier nous offre un aperçu privilégié du processus qui ne pourrait être obtenu par des expériences conventionnelles, étant donné l'énorme difficulté de réaliser une observation expérimentale d'une couche lubrifiante d'une épaisseur d'un milliardième de mètre", souligne Luis González MacDowell, chercheur au département de chimie physique de l'UCM.

Les propriétés glissantes de la glace ont été exploitées dans certains cas à des fins de loisirs (comme dans le cas du patinage sur glace), et dans d'autres comme moyen de transport.

"Il est important de comprendre l'origine de cette propriété largement connue de la glace, tant pour améliorer les performances des athlètes olympiques que pour assurer la sécurité des véhicules pendant l'hiver", indique l'expert.

Outre l'UCM, l'étude implique également l'Université autonome de Madrid (UAM) et l'Université Marie Curie-Skłodowska (MCSU) de Lublin, en Pologne.

Des hypothèses compatibles qui ouvrent la voie aux économies d'énergie

Depuis deux siècles, les scientifiques s'interrogent sur les raisons pour lesquelles la glace est glissante et sur les causes de la couche de liquide qui se forme au-dessus d'elle. Au fil des décennies, des personnalités comme Michael Faraday, James Thomson, Osborne Reynolds ou Philip Browden ont émis des hypothèses divergentes.

Toutefois, cette étude a permis de démontrer qu'elles sont en réalité compatibles et qu'elles opèrent simultanément. "Ce que nous constatons en fait, c'est que les principes clés de la nature glissante de la glace sont le phénomène de fonte de surface proposé par Faraday, la fonte graduelle causée par la pression, qui rappelle l'hypothèse de Thomson, et la fonte causée par la friction, comme le propose Bowden", souligne le chimiste de l'UCM.

Cette combinaison de facteurs confère à la surface de la glace une couche lubrifiante autoréparatrice exceptionnelle. "Le problème de la lubrification est que lorsque la pression augmente, le lubrifiant est expulsé d'entre les faces opposées, ce qui les laisse en contact direct. Dans le cas de la glace, le principe de Le Chatelier fonctionne, et comme la couche lubrifiante est chassée par la pression, la glace elle-même fond et répare la perte", indique Lukasz Baran, le chercheur du MCSU qui a travaillé sur la technique de simulation pendant un stage de six mois à l'UCM.

Outre la prévention des accidents sportifs et de la circulation, les résultats de cette étude pourraient être appliqués à la conception de meilleurs lubrifiants dans d'autres systèmes.

"Il est important de se rappeler que plus de la moitié de l'énergie produite dans le monde est perdue à cause de la friction. L'amélioration des processus de lubrification permettrait de réaliser d'énormes économies de carburant, d'argent et d'impact environnemental", conclut Pablo Llombart, chercheur à l'Institut Nicolás Cabrera de l'UAM.