Quand bon sens ne rime pas avec science

Quand une tasse se brise, il va de soi qu'il faut une colle pour rapiécer les morceaux. On sait très bien qu'il est inutile de simplement presser les parties ensemble: elles ne se recolleront pas. De la même façon, personne n'accepterait la construction d'un mur de briques sans mortier, en pressant simplement les briques les unes sur les autres. Ces expériences nous amènent à conclure que les matériaux n'adhèrent pas naturellement.

Robert E. Prud'homme


Et pourtant! Au niveau moléculaire, il existe des forces d'attraction très puissantes entre deux morceaux d'un même matériau: il suffit de les rapprocher et hop! elles s'attirent. C'est un principe qui a été mis en évidence par Newton vers 1687, en pressant des lentilles concaves de verre et en démontrant qu'elles adhèrent au point de contact. Nous savons maintenant que toutes les particules connues, l'or, le mica, le caoutchouc, la gélatine, adhèrent naturellement, et fortement, si on en rapproche les surfaces.


Le hic, c'est qu'il faut les rapprocher à moins de 10 nanomètres (0,00001 millimètre). Les forces d'adhésion sont des forces à très courtes distances qui n'agissent pas au delà de ces 10 nm. Il faut donc des surfaces très planes et très propres pour y arriver. Dans le cas de la tasse de céramique, la fine poussière générée lors de la brisure s'interpose entre les deux parties empêchant leur rapprochement, sans compter l'irrégularité de la brisure qui rend très difficile le rejointement en harmonie des deux segments.


En atmosphère terrestre, deux fragments à coller sont rapidement contaminés par les impuretés que contient l'air, particules de poussières, grains de pollen ou couche d'humidité, tous de dimensions bien supérieures à 10 nm. L'adhésion moléculaire serait beaucoup plus facile à réaliser dans l'espace que sur la terre!


Une question découlant de ce qui précède: pourquoi les fibres de cellulose qui constituent la page du journal que vous tenez entre les mains adhèrent-elles si bien entre elles, sans aucune colle moléculaire, alors que les différentes pages du même journal ne forment pas une masse compacte et inséparable de papier? Réponse: le processus de fabrication du papier a permis aux fibres un contact étroit, via l'eau dans laquelle elles baignent, où elles ont adhéré et continuent à adhérer, alors que les différentes pages du journal sont moléculairement séparées par de l'air, avec très peu de points de contact entre elles, contrairement aux apparences.


La résistance mécanique de la feuille de papier est directement proportionnelle à la surface de contact entre fibres de cellulose, via des liaisons hydrogène. Si les fibres étaient plates, lisses et alignées les unes par rapport aux autres, la feuille de papier serait au moins cinq fois plus difficile à déchirer.


Dans le même ordre d'idées, la matière nous semble statique et toutes les constructions humaines sont basées sur cette hypothèse. Mais, en réalité, comme l'avait prévu Lucrèce (98-55) et entrevu Buffon (1707-1788), on sait, depuis les expériences de Robert Brown en 1827, complétées plus tard par Jean Perrin, que toute matière est en perpétuel mouvement à l'échelle du nanomètre: c'est ce qu'on appelle le mouvement brownien qui est essentiellement causé par les chocs qu'une molécule subit de la part des molécules qui l'environnent. Brown a tiré cette conclusion en observant les mouvements incessants et désordonnées de grains de pollen dans l'eau.


D'ailleurs, Perrin a conclu que «le repos apparent des fluides n'est qu'une illusion due à l'imperfection de nos sens» parce que les molécules d'un fluide — celles d'un simple verre d'eau, par exemple — sont dans un état de mouvement spontané et perpétuel.


Il est remarquable que des notions aussi familières que l'adhésion entre matériaux et l'immobilité de la matière deviennent fausses à l'échelle moléculaire. (source: K. Kendall, The Sticky Universe, Kluwer, New York, 2001).