La glace aussi peut léviter comme l'eau liquide !

Quelque part entre l'école primaire et le collège, nous avons tous appris que l'eau peut se présenter sous trois formes - qui correspondent à trois états :

• la glace, qui correspond à l'état solideétat solide de l'eau ;
• l'eau, qui correspond bien sûr à son état liquideétat liquide ;
• la vapeur, qui correspond à l'état gazeuxétat gazeux de l'eau.

Nous avons appris, aussi, que pour passer de la glace à l'eau puis à la vapeur, il suffit, par exemple, de chauffer l'eau. C'est en revanche plus probablement le quotidien qui nous a montré que des gouttes d'eau projetées sur une poêle extrêmement chaude n'entrent pourtant pas en ébullition. Au lieu de ça, elles se mettent à glisser sur la surface. Cette propriété étrange de l'eau a été observée pour la première fois en 1751 par le médecin allemand Johann Leidenfrost.

Lorsque la température dépasse le point appelé depuis de Leidenfrost - environ 150 °C, concernant l'eau -, en effet, une sorte de coussin de vapeur se crée entre la goutte et la surface chaude. De telle sorte que la goutte semble léviter au-dessus de la surface. Ça marche aussi avec d'autres liquides. Comme l'huile ou l'alcool. Mais avec des températures de Leidenfrost différentes pour chacun. Et près de 300 ans plus tard, des physiciens de l’Institut polytechnique et université d’État de Virginie (Virginia Tech, États-Unis) ont voulu tester la possibilité de faire léviter de la glace de la même manière, d'obtenir une sorte d'effet Leidenfrost triphasé, avec de l'eau sous ses formes solide, liquide et gazeuse.

Les chercheurs ont d'abord observé que, placée au-dessus d'une plaque d'aluminium chauffée à 150 °C, la glace n'entre pas en lévitation comme le fait l'eau liquide. L'eau de fonte continue de bouillir au contact de la surface. Jusqu'à ce que soit atteinte une température bien plus élevée de quelque 550 °C. Pourquoi ? Tout serait question de différentiel de température. Les physiciensphysiciens expliquent en effet que la couche d'eau de fonte qui reste en contact avec la glace demeure aux alentours de 0 °C, même si la couche en contact avec l'aluminium monte à 100 °C. Maintenir un tel différentiel consomme une grande partie de la chaleur de la surface, d'où une lévitation plus difficile à obtenir.

Le comportement d’un disque de glace placé au-dessus d’une surface chauffée à différentes températures. © Edalatpour et al., Physical Review Fluids

De nombreuses applications en vue

Décevant, d'un point de vue de l'effet visuel. Mais plutôt intéressant d'un point de vue pratique. Car l'expérience fait la preuve que la glace est capable, en quelque sorte, de supprimer l'effet Leidenfrost - jusqu'à une certaine température en tout cas. Et ce faisant, de permettre des transferts de chaleur plus efficaces que l'eau liquide. Grâce à une fenêtrefenêtre de température d'ébullition plus importante.

Parmi les applications de cette découverte envisagées par les chercheurs, des systèmes de refroidissement plus performants pour les serveursserveurs informatiques ou pour les moteurs de voituresvoitures. La glace pourrait aussi se montrer redoutablement efficace et facile à déployer pour le refroidissement d'urgence de centrales nucléaires. Ou encore, dans l'industrie de la mise en forme des métauxmétaux qui nécessite un refroidissement rapide afin de ne pas devenir cassants. Autre domaine dans lequel les travaux des physiciens pourraient avoir un impact : la lutte contre les incendies. Il pourrait en effet devenir intéressant de remplacer les traditionnelles lances à eau des pompiers par des lances à glaçons.

Les chercheurs suggèrent même que des glaçons rugueux pourraient supprimer l'effet Leidenfrost encore plus longtemps que le disque de glace lisse qu'ils ont utilisé pour leurs expériences. Nul doute que d'autres idées d'applications viendront encore aux ingénieurs. À condition que comme les physiciens de Virginia Tech, ils se montrent curieux et créatifs dans leurs travaux.