Matière molle : cet état que vous connaissez sans le savoir

Un tra­jet en voi­ture, sous la pluie. Les gouttes s’écoulent le long des fenêtres, par­fois s’arrêtent, comme si elles s’y col­laient. Quelle forme prennent-elles alors ? Qu’est-ce qui leur per­met de s’accrocher, alors que l’eau est en prin­cipe si fluide ? La réponse n’est pas simple¹…

D’ailleurs, la même eau, quand elle se met à cou­ler, est curieu­se­ment lente, si on la com­pare à celle des rivières ou des tor­rents – pour­tant moins pen­tus qu’un pare-brise auto­mo­bile. Ces obser­va­tions inat­ten­dues mal­gré leur sim­pli­ci­té appa­rente posent en réa­li­té des ques­tions pro­fondes qu’une science tente d’expliquer : la matière molle.

Chris­tophe Jos­se­rand, cher­cheur au Labo­ra­toire d’hy­dro­dy­na­mique (LadHyX²), consi­dère que les pre­mières décou­vertes en matière molle remontent au début du XX^e siècle, avec les cris­taux liquides et les poly­mères — deux exemples typiques de maté­riaux se situant à la fron­tière du solide et du liquide. Mais c’est plus tard que le terme s’est impo­sé. « On ne peut le dis­so­cier, pré­cise-t-il, du nom de Pierre-Gilles de Gennes, grand phy­si­cien fran­çais, qui, lorsqu’il a reçu le prix Nobel de phy­sique en 1991, a inti­tu­lé son dis­cours “Soft Mat­ter”³. Matière molle en est une tra­duc­tion lit­té­rale. »

Pierre-Gilles de Gennes, grand phy­si­cien fran­çais a inti­tu­lé son dis­cours “Soft Mat­ter” lorsqu’il a reçu le prix Nobel de phy­sique en 1991.

Pierre-Gilles de Gennes est la figure de proue de ce domaine. David Qué­ré, cher­cheur asso­cié au LadHyx, a tra­vaillé sous sa direc­tion lors de son pas­sage au Col­lège de France, et Chris­tophe Jos­se­rand le décrit même comme « un héri­tier spi­ri­tuel » du nobé­liste. Auteur d’un ouvrage co-écrit avec de Gennes⁴, le spé­cia­liste en la matière confirme le poids de cette figure « majeure, archi-inter­na­tio­nale ».

« C’est bien le jour du prix Nobel que ce domaine mal défi­ni est deve­nu une science, avance David Qué­ré. Pierre-Gilles de Gennes a uni­fié tout un amas de pro­blèmes dis­pa­rates, tou­chant sou­vent des liquides dans des situa­tions spé­ciales : soit des liquides com­plexes par essence, soit des liquides plus simples dans un état com­plexe. » Par ce dis­cours et par la recon­nais­sance de son tra­vail, de Gennes a don­né ses lettres de noblesse à une science « aux échelles inter­mé­diaires, sou­vent liée à la vie quo­ti­dienne, mais pleine d’inattendu. »

Le plus sou­vent, les objets d’étude en matière molle sont com­po­sites — mélanges hété­ro­gènes d’au moins deux consti­tuants à qui le mélange confère un carac­tère para­doxal ou ambi­gu. Le sable, par exemple, est un de ces objets : « Selon la situa­tion où se trouve le sable, il peut aus­si bien cou­ler que prendre une forme solide, avec des pentes, déve­loppe David Qué­ré. Pour autant, il reste un maté­riau dipha­sique : les grains qui le consti­tuent, solides, se dis­tinguent de l’air, le fluide qui les entoure. C’est cet entre-deux qu’il importe de com­prendre, à par­tir de règles, aus­si simples que pos­sibles, d’interactions entre grains. »

État mou, ambi­gu ou encore intel­li­gent, il existe bien des péri­phrases pour décrire ce type de matière, presque autant qu’il y a d’exemples. De la mayon­naise aux mousses, en pas­sant par la boue ou le béton, cet état nous entoure, et il nous est sou­vent bien utile. « Pre­nons la mousse à raser, pour­suit David Qué­ré, qui est faite prin­ci­pa­le­ment d’un mélange d’eau et de gaz : deux élé­ments qui coulent faci­le­ment mais qui, sou­dain, sur ma joue, font un qua­si-solide ; et un solide mani­pu­lable puisque j’ai pu au préa­lable mode­ler cette mousse et l’étaler. Une sorte de miracle, non ? »

Chris­tophe Jos­se­rand ren­ché­rit : « Pour mon­ter le blanc d’un œuf en neige, il faut le battre : le mou­ve­ment du fouet incor­pore de l’air dans un mélange hété­ro­gène com­po­sé d’eau, d’huile, et, si nous sim­pli­fions les choses, de molé­cules sem­blables au savon, explique le spé­cia­liste. Là encore, le liquide prend une forme mous­seuse qui se soli­di­fie­ra quand je la réchauf­fe­rai au four : c’est la meringue ! » Il conclut : « Regar­dant autour de moi, j’aperçois des pro­blèmes extra­or­di­naires qui ont, de plus, sou­vent un inté­rêt pra­tique et immé­diat. »

Il existe ain­si un lien essen­tiel entre matière molle et appli­ca­tions. Et l’on peut dater l’émergence de la matière molle moderne à 1973, l’année du pre­mier choc pétro­lier. À cette occa­sion, la com­pa­gnie pétro­lière Exxon — mai­son mère de la marque Esso — décide de s’intéresser aux 50 % de pétrole lais­sé dans un puits après extrac­tion. Dans ce contexte ten­du, l’industrie amé­ri­caine ne pou­vait plus se per­mettre d’abandonner ain­si la moi­tié des res­sources en or noir. 

« C’est là un pro­blème exem­plaire de matière molle et ce, à plu­sieurs niveaux, insiste David Qué­ré. Le liquide pré­cieux est une huile vis­queuse, déjà com­pli­quée en tant que telle. Mais pour l’extraire, on la pousse avec une eau sou­vent savon­neuse, ce qui crée des émul­sions au sein d’une roche aux pores tor­tueux : phy­si­co-chi­mie, méca­niques des fluides, espaces confi­nés, le pro­blème est d’une dif­fi­cul­té extrême et seule une approche fon­da­men­tale per­met­tra de le hié­rar­chi­ser et de le sim­pli­fier – inven­tant au pas­sage quan­ti­té de pro­blèmes neufs et pas­sion­nants. »

Défi­nir ce champ de recherche reste donc ardu, en par­ti­cu­lier à cause de sa ten­dance à ne pas se foca­li­ser sur un seul type d’objet. On le cerne presque mieux par le style de ses recherches que par leur objet. Pour Chris­tophe Jos­se­rand, « la richesse de cette science vient de sa capa­ci­té à faire inter­agir des domaines très divers, de la phy­sique à la bio­lo­gie, des mathé­ma­tiques appli­quées à la chi­mie. » Les recherches sont ain­si com­plé­men­taires. « Le labo­ra­toire d’hydrodynamique de l’École poly­tech­nique (LadHyX) est un bon exemple de ces inter­ac­tions croi­sées, avec une com­mu­nau­té tou­chant autant la phy­sique non linéaire que la méca­nique des fluides et qui, en outre, crée des liens forts avec les autres sciences, notam­ment au tra­vers des recherches menées en bio-méca­nique. Nous pou­vons donc consi­dé­rer qu’on a là, au sens large, une com­mu­nau­té de matière molle », ajoute-il.

David Qué­ré le confirme : « Cette dis­ci­pline est à la fron­tière de nom­breuses sciences, estime-t-il. C’est une autre rai­son qui nous fait tour­ner autour du pot : des fron­tières floues engendrent une défi­ni­tion floue. Mais, pour autant, ses dis­ciples se recon­naissent à une cer­taine manière d’avancer, entre science fon­da­men­tale et appli­quée, et par leur néces­saire tra­vail de sim­pli­fi­ca­tion d’une réa­li­té par nature com­plexe. »

Pablo Andres