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Physique de la glace : résolution d'une énigme aux applications multiples

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C'est l'un des charmes de la physique qu'une compréhension d'un phénomène dans un domaine puisse parfois donner la clé d'une loi générale qui s'applique dans d'autres domaines. Deux géophysiciens s'intéressant à la physique de la glace viennent de résoudre une vieille énigme à son propos. Selon eux, ce qu'ils ont découvert s'appliquerait aussi bien à la tectonique des plaques qu'aux lunes glacées des géantes, et peut être même aux nanotechnologies.

Détails de la surface glacée d'Europe

John Wettlaufer est professeur de physique, de géologie et de géophysique à l'Université de Yale et comme beaucoup de géophysiciens, il adore jongler avec différentes disciplines comme la physique de la matière condensée, les mathématiques appliquées et la dynamique des fluides géophysiques. En collaboration avec Dominic Vella, du prestigieux DAMTP, il a publié un article portant sur la physique des collisions des plaques de glace. Dans celui-ci, une énigme datant de plus de 50 ans a été résolue!

Lorsque deux plaques de glace entrent en collision, et plus généralement deux plaques de matériaux doués de propriétés élastiques flottant sur un liquide, notre intuition nous dit que deux phénomènes peuvent se produire :

- l'une des plaques passe sous l'autre, et c'est effectivement ce qu'on observe dans les processus de subduction et d'obduction en ce qui concerne les plaques tectoniques.
- les deux plaques se fragmentent l'une l'autre sous le choc, et produisent une série de débris flottant.

En fait une troisième possibilité existe ! C'est elle qui jusqu'à présent défiait les explications théoriques.

Les deux plaques se découpent légèrement sur leurs bords, pour former comme des doigts qui passent alternativement sur, ou sous l'autre plaque. On obtient alors une structure rappelant celle d'une fermeture éclair, comme on peut le voir sur la photo ci-dessous.

Crédits : John Wettlaufer et Dominic Vella

En utilisant les équations aux dérivées partielles de la théorie de l'élasticité, les deux chercheurs ont alors prédit que ce phénomène devait se produire pour une large classe de matériaux, à partir du moment où les épaisseurs des plaques étaient comparables. De plus, la taille des structures en doigts devait être reliée aux propriétés spécifiques des matériaux composant les plaques.

Tous calcul doit être vérifié par l'expérience, et c'est ce qu'ils ont fait en utilisant des plaques de cire. Et cela a parfaitement marché ! Tout comme pour le cas avec la glace, les équations ont bien reproduit l'expérience, ce qui indique bien qu'une loi générale s'appliquant à des situations apparemment différentes a été découverte.

Selon les deux auteurs, des structures géologiques en théorie de la tectonique des plaques devraient être mieux comprises en utilisant ces résultats. Sur les lunes glacées des géantes, comme Europe ou encore Encelade, l'observation de ces mêmes structures pourrait donner de précieux renseignements sur l'épaisseur et la nature des couches de glace.

Détails de la surface d'Encelade (Crédit : NASA).

Enfin, l'universalité de ces processus découlant de la physique des matériaux pourrait aussi faire sentir ses effets dans la conception des micro-machines. Pour ceux qui l'aurait oublié, cet exemple nous rappelle que les divisions que nous faisons entre les phénomènes et les disciplines scientifiques sont souvent arbitraires et que les frontières que nous traçons, pour reprendre les mots de Feynman, la Nature, elle, ne les connaît pas !

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