DES GRAINS DE GEL QUI TRAVERSENT LA GLACE

Les hydrogels sont des réseaux de chaînes de polymères gorgés d’eau. Ils peuvent gonfler et se contracter énormément, et on les trouve partout : superabsorbants qui épongent les liquides, gels chargés de médicaments qui les libèrent à vitesse contrôlée, robots souples, ingénierie tissulaire, alimentation, cosmétique — même le cartilage de nos articulations se comporte comme l’un d’eux.

Tout cela dépend d’une seule chose : la façon dont l’eau circule dans le gel. Trois propriétés la décrivent — la perméabilité, la raideur quand on comprime le gel, et la diffusivité poroélastique, qui fixe la vitesse à laquelle le gonflement se propage. Elles sont réputées très difficiles à mesurer, car l’eau avance extrêmement lentement dans un gel. Les auteurs donnent un exemple : poussez de l’eau à travers une membrane de gel de 1 mm avec un écart de pression de 1 kilopascal, et elle avance d’environ un nanomètre par seconde. Mesurer la raideur demande environ trois heures par point sur un échantillon de 1 mm.

Des grains qui traversent la glace

L’équipe de Robert Style, à l’ETH Zurich, a fabriqué des particules de gel de 8 à 14 micromètres de rayon — bien plus petites qu’un grain de sable fin — dans un polymère courant, le PEGDA. Elle les a congelées dans une fine cellule entre deux blocs de cuivre, sous microscope.

Première surprise : dans la glace, les grains rétrécissent. La glace entoure chaque grain mais ne peut pas entrer dans ses pores minuscules. Elle aspire l’eau hors du gel, comme le ferait l’air sec. C’est la cryosuccion, et elle est puissante : la succion augmente d’environ 1 mégapascal par degré sous zéro. Entre 0 et −2 °C, les grains perdent environ 20 % de leur rayon — la moitié de leur volume.

Deuxième surprise : quand un côté de la cellule est plus chaud que l’autre, les grains se mettent à avancer à travers la glace solide, vers le côté chaud, à environ 0,1 micromètre par seconde, en gonflant en chemin.

Le mécanisme : la succion est plus forte côté froid du grain. La glace fond côté chaud, l’eau traverse le gel et regèle côté froid. Cette glace neuve pousse le grain en avant. L’expérience témoin est nette : des particules que l’eau ne peut pas traverser ne bougent pas du tout.

Un instrument de mesure

Comme la vitesse dépend de la facilité avec laquelle l’eau traverse le gel, mesurer la vitesse donne directement la perméabilité. Et comme les grains rétrécissent en refroidissant, un seul grain peut être mesuré à de nombreuses teneurs en eau.

La vitesse est proportionnelle au gradient de température et indépendante de la taille du grain, comme le prévoit la théorie.
La perméabilité chute d’un facteur proche de 100 quand la fraction de polymère passe de 20 % à 45 %.
La raideur passe d’environ 1 à environ 30 mégapascals sur le même intervalle.
La diffusivité reste presque constante, autour de 1,5 × 10⁻¹⁰ m²/s.
Les valeurs concordent avec les rares mesures existantes sur des gels semblables.

Les manuels se trompent

La haute résolution a permis de tester les formules classiques, qui supposent un réseau de polymère idéal et uniforme. Elles ne marchent pas : les tendances mesurées sont bien plus fortes que prévu. Raison probable : les vrais gels sont hétérogènes, avec de grands et de petits pores. En séchant, les grands pores s’effondrent d’abord, ce qui rend le gel bien moins perméable et bien plus raide qu’un réseau idéal.

Un outil pour les gels réels

La méthode ne demande que des volumes de l’ordre du picolitre au lieu du microlitre, mesure un seul échantillon à de nombreuses teneurs en eau, et fournit des milliers de points par expérience au lieu d’un seul. Les auteurs veulent l’étendre à des fragments de gels massifs — y compris biologiques —, aux solutions de polymères et aux solides poreux, et appellent à de nouvelles théories de la circulation de l’eau dans les gels réels.