Des scientifiques découvrent des sillages d’ondes là où ils ne devraient pas être, remettant en cause une théorie vieille de 140 ans

Le fossé historique entre les ondes liquides et solides

Quiconque a déjà navigué sur un bateau a sans aucun doute observé les ondes en forme de V si caractéristiques qui suivent son sillage. Ce comportement spécifique dans les liquides a fait l’objet d’une description mathématique minutieuse par Lord Kelvin en 1887. Le phénomène a logiquement pris le nom de « modèle de sillage de Kelvin ».

Deux ans plus tôt, en 1885, un autre lord britannique nommé John William Strutt, 3ème baron Rayleigh, s’était penché sur une mécanique d’apparence distincte. Il a décrit la manière dont les ondes traversent les solides, en prenant l’exemple des ondes sismiques qui se propagent à travers la roche. Ces ondes ont fini par être intrinsèquement liées à leur découvreur et sont aujourd’hui connues sous l’appellation d' »ondes de Rayleigh ».

Bien que ces deux théories décrivent la façon dont les ondes se déplacent à travers un matériau, elles étaient considérées depuis plus d’un siècle comme des phénomènes fondamentalement différents. Les scientifiques pensaient qu’il n’existait aucune passerelle entre la physique des fluides de Kelvin et celle des solides de Rayleigh.

L’émergence des solides ultra-mous au centre de l’attention

Cette séparation conceptuelle vient de voler en éclats. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Physical Review Letters, une équipe de scientifiques de l’Université de Harvard a révélé que les solides ultra-mous brouillent les frontières entre ces deux types d’ondes. Dans le processus, ces matériaux parviennent à lier leurs comportements respectifs.

Les matériaux ciblés par cette recherche incluent des gels ou, de manière plus cruciale pour la recherche, les tissus biologiques. Alors que les liquides et les solides traditionnels ont été étudiés sous toutes les coutures au cours du siècle dernier, la dynamique propre aux solides ultra-mous restait largement ignorée.

Cette méconnaissance s’explique par la complexité de ces matériaux. Ils présentent en effet un mélange unique réunissant l’inertie, l’élasticité et la capillarité, un ensemble de caractéristiques qui n’avait presque pas été étudié jusqu’à présent.

L’intuition née sur les rives de la rivière Charles

Le point de départ de cette avancée scientifique trouve son origine dans une simple observation quotidienne. Lakshminarayanan Mahadevan, qui a dirigé l’étude, raconte avoir été en partie inspiré en regardant les bateaux descendre la rivière Charles, située à proximité du campus de l’Université de Harvard.

« Je soupçonnais qu’il devait y avoir une manière naturelle d’interpoler en douceur entre le comportement des ondes de surface sur les solides et les fluides », a expliqué Lakshminarayanan Mahadevan, professeur de mathématiques appliquées, comme cela a été déclaré dans un communiqué de presse. Cette intuition l’a poussé à repenser les modèles mathématiques établis depuis des décennies.

Le chercheur précise la philosophie derrière cette recherche fondamentale : « Une grande partie de notre travail reflète un instinct scientifique plus large : chercher le sublime, et les arcanes, cachés au sein du banal. »

Une fusion inattendue des phénomènes physiques

Pour comprendre cette découverte, il faut revenir aux caractéristiques de base. Les modèles de sillage de Kelvin rayonnent selon un motif en forme de V, également connu sous le nom de « coin de Mach ». Cette géométrie ne déforme pas fondamentalement le matériau, contrairement aux ondes de Rayleigh qui modifient structurellement le milieu solide qu’elles traversent.

Le professeur Mahadevan a découvert que les solides ultra-mous présentent une double capacité inédite : ils peuvent afficher un motif de type sillage tout en étant simultanément déformés par l’onde. Ce phénomène signifie que le motif de l’onde transporte avec lui des informations directes sur le matériau lui-même.

L’équipe a mis en lumière une relation clé entre la vitesse à laquelle une perturbation se déplace à travers le matériau et la souplesse de ce dernier. Par exemple, une perturbation se déplaçant rapidement dans des tissus mous provoque un rétrécissement du sillage. Cette observation mécanique ouvre des perspectives techniques fascinantes.

Vers la révolution des diagnostics médicaux non invasifs

Les chercheurs ont baptisé cette idée « diagnostics doux ». Ils estiment qu’il pourrait être possible d’utiliser cette propriété étrange des solides ultra-mous pour en apprendre davantage sur les tissus humains sans avoir besoin de les inciser. La forme et la réaction de l’onde deviendraient ainsi un outil d’analyse à part entière.

En fonction de la manière dont une forme d’onde se comporte lorsqu’elle est appliquée à un organe humain, les scientifiques pourraient comprendre la rigidité de ce matériau biologique. Cette mesure précise permettrait notamment de déterminer si des tumeurs pourraient être présentes à l’intérieur du corps, offrant une alternative non invasive aux biopsies classiques.

« Notre étude des sillages de surface sur des surfaces élastiques ultra-molles utilise des expériences et la théorie pour sonder un régime jusqu’alors inexploré où la gravité, la capillarité et l’élastodynamique agissent ensemble », écrivent les auteurs de l’étude. Ils concluent avec conviction : « Notre approche fournit également une base quantitative pour sonder la dynamique des surfaces solides ultra-conformables. »

Selon la source : popularmechanics.com