L'eau, substance omniprésente et essentielle à la vie, recèle encore de nombreux mystères, malgré son apparente simplicité. On ne le croirait pas, mais l'eau est une substance chimique encore très mal comprise, et étrange. Ses propriétés physiques et chimiques défient souvent l'intuition, ce qui en fait un sujet d'étude fascinant tant pour la science fondamentale que pour l'ingénierie appliquée. Alors que les chercheurs continuent de sonder les profondeurs de sa structure moléculaire pour découvrir de nouvelles phases de glace, l'ingéniosité humaine exploite ses principes dynamiques pour transformer les sports nautiques et la navigation grâce à la technologie de l'hydrofoil. Cet article explore ces deux domaines de pointe, depuis les récentes découvertes sur les nouvelles formes de glace jusqu'aux innovations qui permettent aux embarcations de "voler" au-dessus de l'eau.
Les Propriétés Énigmatiques de l'Eau : Une Molécule Extraordinaire
L'eau se distingue par une série de caractéristiques uniques qui la rendent cruciale pour les processus biologiques et géophysiques, mais aussi étonnamment complexe à comprendre. C'est tout d'abord l'une des seules à être moins dense sous forme solide que liquide. Généralement, lorsqu'un matériau se solidifie, les molécules se rapprochent les unes des autres, ce qui augmente sa densité. Pour l'eau, c'est l'inverse ! Cette particularité est fondamentale, car elle permet à la glace de flotter, isolant ainsi la vie aquatique sous la surface gelée.
Une autre propriété curieuse est sa capacité à geler plus vite lorsque l'eau est chaude que lorsque l'eau est froide, un phénomène connu sous le nom d'effet Mpemba. Sa capacité à dissoudre un grand nombre d'autres substances est également exceptionnelle, faisant d'elle un solvant universel et essentiel à la chimie du vivant. Au-delà de ces observations quotidiennes, la complexité de l'eau s'étend à ses phases solides. Elle existe de plus sous près de 20 formes cristallines différentes, explique une étude récente publiée dans Science. L'un des auteurs de cette étude, le professeur Christoph Salzmann du département de chimie de la University College London (UCL), a déclaré dans un communiqué : « L'eau est le fondement de toute vie. Notre existence en dépend, nous lançons des missions spatiales à sa recherche, pourtant d'un point de vue scientifique, elle est mal connue. » Cette déclaration souligne l'ampleur des défis que l'eau pose aux scientifiques, et l'importance continue de la recherche dans ce domaine.
La Glace Amorphe : Une Fenêtre sur l'Eau Liquide et les Mystères Célestes
Les formes de glace que nous rencontrons le plus souvent sur Terre, notamment dans les glaciers ou nos congélateurs, sont cristallines, c'est-à-dire que leurs molécules d'eau sont organisées selon une structure hexagonale régulière. Cependant, l'étude de l'eau à l'état solide révèle une diversité bien plus grande, en particulier la glace amorphe. L'étude publiée dans Science se concentre sur un état particulier de l'eau, la glace amorphe. Dans cette forme, c'est tout l'inverse de la glace cristalline : on ne peut observer aucune structure à grande échelle, les molécules ne possèdent aucun arrangement précis.
Jusqu'à présent, deux types de glace amorphe avaient été créés en laboratoire : une forme à haute densité et une forme à basse densité. Le diagramme de phase de l'eau, qui décrit l'état de l'eau selon la température (exprimée en °C ou K) et la pression (exprimée en Pa ou mbar), illustre l'existence de nombreuses phases solides différentes. La glace amorphe à basse densité a été découverte lorsque de la glace naturelle a été comprimée, sous une température de 77 K (environ -200 °C), obtenue grâce à de l'azote liquide. Leurs densités se situent autour de 0,94 g/cm3 et 1,13 g/cm3, soit autour de celle de l'eau liquide, à 1g/cm3. Si bien qu'il était communément admis qu'aucune glace amorphe ne pouvait se trouver entre ces deux formes.
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C'est précisément ce qui a surpris les physiciens lorsqu'ils ont effectué un broyage à billes sur de la glace ordinaire, le tout dans un environnement à 77 Kelvins. Cette technique, bien que courante dans plusieurs industries, n'avait encore jamais été utilisée sur de la glace. Elle consiste à mélanger dans un bocal en acier des billes de métal avec de la glace, puis à faire tourner le tout très vite. Le Dr Alexander Rosu-Finsen, premier auteur de l'étude et chercheur à l'UCL, a commenté : « Nous avons secoué la glace comme des fous pendant longtemps et détruit la structure cristalline. Plutôt que de se retrouver avec de plus petits morceaux de glace, nous avons réalisé que nous avions trouvé un tout nouveau genre de chose, avec des propriétés remarquables. »
En effet, lorsqu'ils ont calculé sa densité à partir de sa flottabilité dans l'azote liquide, ils ont obtenu un résultat de 1,06 ± 0,06 g/cm3, soit une densité très proche de celle de l'eau liquide ! Cette nouvelle forme de glace, nommée glace amorphe à densité moyenne (MDA), a révélé des similarités frappantes avec l'eau sous sa forme liquide. « Nous avons montré qu'il est possible de créer ce qui ressemble à une sorte d'eau en stop-motion. C'est une découverte inattendue et assez étonnante », s'est enthousiasmée Andrea Sella, coauteure de l'étude et professeure à l'UCL. La nouvelle forme de glace a une structure moléculaire très similaire à celle de l'eau liquide (à gauche), par rapport à la glace cristalline ordinaire (à droite). De nombreuses similitudes structurelles avec l'eau liquide sont apparues, ce qui soulève des questions fondamentales sur la nature de l'eau elle-même. « Notre découverte de la MDA soulève de nombreuses questions sur la nature même de l'eau liquide et il est donc très important de comprendre la structure atomique précise de MDA, commente dans un communiqué le Dr Michael Davies, coauteur de l'étude et en charge de la modélisation informatique. Nous avons trouvé des similitudes remarquables entre le MDA et l'eau liquide. »
Au point où les chercheurs se sont demandé si cette glace n'était pas un état vitreux de l'eau liquide. Les verres, qui constituent la majorité des matériaux amorphes, peuvent se former lorsqu'un liquide refroidit sans possibilité de cristalliser, mais aussi par broyage mécanique. Une autre possibilité est cependant envisagée par les chercheurs. « Ces résultats soulèvent la possibilité que le MDA soit le véritable état vitreux de l'eau liquide ou alternativement un état cristallin fortement cisaillé », décrit l'étude. Le dispositif expérimental utilisé pour créer de la glace amorphe à densité moyenne est un exemple de l'ingéniosité mise en œuvre pour explorer ces états exotiques.
Les implications de cette découverte s'étendent bien au-delà des laboratoires terrestres, y compris dans les lunes glacées du Système solaire. La glace amorphe à densité moyenne pourrait être créée par les forces de cisaillement, elles-mêmes générées par les forces de marée qui règnent sur les satellites des planètes géantes, comme Jupiter ou Saturne. Or, une autre propriété de cette glace amorphe à densité moyenne a étonné les chercheurs : sa transition vers l'état cristallin. En la comprimant et en la chauffant, la glace amorphe a cristallisé, mais surtout a libéré une grande quantité de chaleur ! Selon les chercheurs, cela suggère que l'eau pourrait être « un matériau géophysique à haute énergie », soit un moteur pour l'activation de mouvements tectoniques sur ces lunes glacées. Cette perspective offre une nouvelle compréhension des processus géologiques potentiellement actifs sur ces corps célestes. Il est communément dit que la glace amorphe en général est la forme d'eau la plus abondante dans l'Univers.
Ice-VIIt : Une Nouvelle Phase Cristalline Sous des Pressions Extrêmes
Parallèlement aux recherches sur la glace amorphe, d'autres travaux explorent les phases cristallines de l'eau dans des conditions de pression et de température extrêmes. En étudiant le comportement de l’eau à très haute pression, une équipe de l’Université du Nevada à Las Vegas (UNLV) a découvert une nouvelle forme de glace, notée Ice-VIIt, dont l’arrangement des atomes n’avait encore jamais été observé. Dans l’eau liquide, bien que les molécules d’eau soient mobiles, chacune s’entoure à chaque instant de quatre autres molécules d’eau (les quatre atomes d’oxygène formant un tétraèdre). Sous 0 °C, à la pression atmosphérique, l’eau liquide passe à l’état solide : cette forme de glace « ordinaire » adopte alors une structure cristalline de type hexagonal, dans laquelle les atomes d’hydrogène sont désordonnés ; cette variété de glace est appelée glace Ih. C’est la glace qui se forme dans nos congélateurs ou qui tombe sous forme de grêle ou de flocons de neige.
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Mais selon les conditions de température et de pression, l’eau peut en réalité former plusieurs autres formes de solides, plus ou moins stables. Les scientifiques ont déjà identifié plus d’une vingtaine de formes de glace. Sous haute pression en particulier, on recense plus d’une dizaine de formes cristallines (notées ice ou glace II, III, IV, etc.). Grâce à une nouvelle méthode conçue pour mesurer les propriétés de l’eau à haute pression, les chercheurs du Nevada Extreme Conditions Lab de l’UNLV ont observé une nouvelle transition de glace d’eau, située entre les phases de glace VII et de glace X déjà bien connues. L’échantillon a été compressé entre deux diamants, jusqu’à ce qu’il se congèle en plusieurs cristaux de glace mélangés. Ils ont ensuite fait fondre temporairement cette glace par laser ; elle s’est alors rapidement resolidifiée sous forme de minuscules cristaux, telle une poudre.
Un diagramme de phase semi-logarithmique pression-température de l’eau permet de visualiser ces différentes phases, où les chiffres romains correspondent aux différentes phases de glace. C’est ainsi qu’ils ont observé la glace passer d’une phase cubique connue (glace VII) à une structure de symétrie tétragonale jamais vue auparavant, notée glace VIIt, avant de se stabiliser dans une autre phase connue (glace X). La glace VII a été synthétisée pour la première fois en 1937 ; elle a été observée à l’état naturel en 2017, sous la forme d’inclusions dans des diamants extraits d’une mine du Botswana. Ces inclusions se sont formées dans le manteau terrestre, à l’état d’eau liquide, qui s’est cristallisée en remontant vers la surface. Il s’agit d’une phase cubique simple, dans laquelle les positions des atomes d’hydrogène sont désordonnées.
Cette transition particulière est sujette à débat depuis plusieurs décennies parmi les physiciens ; de précédents travaux de recherche situaient cette pression de transition entre 40 et 120 GPa. Or, les travaux de Zach ont démontré que cette transformation vers un état ionique se produit à des pressions beaucoup, beaucoup plus faibles que ce que l’on pensait auparavant. Étant donné les conditions nécessaires à sa formation, on ne peut observer la glace VIIt à la surface de la Terre. En revanche, les chercheurs estiment qu’elle pourrait être relativement commune dans le manteau terrestre, ainsi que dans les grandes lunes et les planètes riches en eau en dehors de notre système solaire. Ces découvertes fondamentales continuent de redéfinir notre compréhension de l'eau et de son rôle dans l'univers.
La Révolution de l'Hydrofoil : S'Élever au-Dessus des Vagues
Alors que les scientifiques plongent dans les profondeurs moléculaires de l'eau, les ingénieurs et les passionnés de sports nautiques exploitent ses principes hydrodynamiques pour créer des expériences inédites. L'hydrofoil, également appelé « foil », a révolutionné le monde des sports nautiques ces dernières années. La technologie de l'hydrofoil (aileron portante) s'est imposée dans différentes disciplines et ouvre de nouvelles possibilités sur l'eau.
Un hydrofoil est un système de portance sous-marin qui se monte sous une planche de surf, un kiteboard, une planche à voile ou toute autre plateforme. Dès que la planche atteint une vitesse suffisante dans l'eau, le foil génère une portance. La planche se soulève alors au-dessus de la surface de l'eau, ce qui réduit considérablement la résistance de l'eau et permet une glisse presque silencieuse, comme en l'air. Le principal avantage de la technologie hydrofoil est la réduction de la friction, car l'eau s'écoule contre l'aile avant du foil.
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Le fonctionnement des foils repose sur des principes physiques éprouvés. Pour expliquer simplement : les foils fonctionnent grâce à la pression de l’eau. On a un profil très marqué d’un côté et un profil plus fin ou plat de l’autre. Sur le profil le plus marqué (au-dessus), les molécules d’eau sont accélérées pour arriver en même temps que les molécules d’eau qui sont de l’autre côté (dessous). Ensuite, c’est de la physique : le Théorème de Bernoulli dit qu’à altitude égale, la pression d’un fluide diminue quand sa vitesse augmente et augmente quand sa vitesse diminue. C'est cette différence de pression qui génère la portance, soulevant la planche hors de l'eau.
L'Histoire et l'Évolution de la Technologie Hydrofoil
L'idée de l'hydrofoil n'est pas nouvelle. Au début du XXe siècle, des ingénieurs expérimentaient déjà des hydroptères. L'inventeur italien Enrico Forlanini a développé l'un des premiers hydroptères fonctionnels en 1906. Dans le domaine des sports nautiques, il a toutefois fallu attendre les années 1990 pour que les foils suscitent un intérêt notable. Ils ont d'abord été utilisés dans la voile, notamment dans la Coupe de l'America, démontrant un potentiel de vitesse et d'efficacité considérable.
Le développement des foils dans les sports individuels est largement redevable à des pionniers et des innovateurs. Le plus médiatisé d’entre eux est sans nul doute le hawaiien Kai Lenny. Le champion de SUP, un waterman accompli, a perfectionné l’hydrofoil sur une planche de paddle race. Le résultat est impressionnant et la vidéo sur YouTube a fait un tabac. Il y a quelques semaines, le champion du monde a remis ça dans une vidéo où, cette fois, il est sur une planche de surf équipée d’un hydrofoil. Ainsi, il arrive notamment à surfer deux vagues à la suite en revenant dans le bowl en pompant sur sa planche, ou encore à surfer des vagues qui restent encore sous forme de houle. Kai Lenny utilise une planche de Race Naish recoupée sur l’arrière, le boîtier du foil ayant été placé à environ 40 cm à l’arrière de la poignée, ce qui suggère une planche d'environ 3m/3m20. On voit Kai Lenny pas mal osciller d’avant en arrière ; en fait, il « pompe » pour relancer le foil et le stabiliser. Il faut savoir que quand l’appui est sur la jambe arrière, le foil monte, et quand il est devant, il redescend, permettant un contrôle dynamique en vol.
L'histoire des foils est jalonnée d'expérimentations et de persévérance. Laird Hamilton, dès 2006, avait les pieds sur un foil de Air chair transformé avec des chaussures de ski. Manu Bertin, lui, a été le premier à y croire avec des prototypes en titane. Mais c’est ensuite un Hawaïen, alors inconnu, qui a eu l’idée de fabriquer le premier foil en carbone pour le kitesurf. Son nom reste non spécifié dans le récit, mais son impact est indéniable. Un témoignage personnel relate une expérience dans l'importation de ces foils : « À la suite de ma rencontre avec Mango, je suis devenu l’importateur pour la France et j’ai créé en parallèle de mon shop FreeRide Attitude la société Taaroa. Rapidement, nous avons compris que le foil Carafino était limité car les profils n’avaient pas vraiment été étudiés. J’ai la chance d’avoir un ami, Franck Adam, qui a d’énormes connaissances et qui bricole beaucoup. Mango n’a pas suivi, nous a livré des produits défectueux et nous a lâchés. Bref, l’aventure ne s’est pas terminée comme nous l’aurions souhaité. J’ai du coup arrêté toutes recherches après les premiers championnats du monde en 2012 où j’avais terminé 6ème. Franck a continué quant à lui à bricoler et à aider de nombreuses marques ces dernières années à faire évoluer le foil sans profit. Depuis l’an dernier, nous avons pour projet l’adaptation d’un foil pour le downwind en Sup. Persuadé que cela pourrait marcher (on sait ce qu’il faut comme foil), il ne me manquait que le temps et une planche à sacrifier…. » Ces récits mettent en lumière le chemin souvent semé d'embûches des innovations technologiques, exigeant expertise, persévérance et parfois des sacrifices personnels.
Diverses Applications et Disciplines du Foiling
La polyvalence de l'hydrofoil lui a permis de s'intégrer dans de nombreuses disciplines nautiques, transformant la manière dont les athlètes interagissent avec l'eau.
Le Kitefoiling a ouvert de toutes nouvelles possibilités dans le domaine du kitesurf. Lorsque le vent est faible et que les planches de kitesurf traditionnelles sont difficilement maniables, une planche à foil peut être utilisée avec une traction réduite. Les sensations en foil donnent l’impression de voler au-dessus de l’eau : plus de bruit, on accélère au ras de l’eau et la sensation de vitesse est démultipliée. En kite, le principal intérêt au début était de pouvoir naviguer avec très peu de vent ; j’ai réussi à l’époque à descendre à 4 nœuds avec une aile à caisson de 19 m. Mais ensuite, quand on a réussi à faire évoluer le foil, on a bien compris qu’il était extraordinaire pour son potentiel de vitesse dans toutes conditions !
Dans le Surf foiling, le foil est monté sous une planche de surf. Le surfeur pagaie comme dans le surf traditionnel, mais dès qu'il prend une vague, la planche se soulève hors de l'eau. Le foil permet de glisser très longtemps sur une petite vague, car la planche ne subit pratiquement aucune perte de friction, offrant des possibilités de "surfer" la houle sans qu'elle ne déferle véritablement.
Le SUP-foiling a également fait son apparition dans le stand-up-paddle. Ce sont surtout les pagayeurs expérimentés qui profitent de cette technique lorsqu'ils surfent sur de petites vagues ou lorsqu'ils naviguent sous le vent. C’est un peu tôt pour le dire, mais le foil SUP est je pense accessible à tous bons pratiquants. En effet, un autre pionnier en France, Bruno André, s’est avant tout concentré sur le windsurf. Son foil très porteur était facilement transposable sur un SUP en adaptant le boîtier, mais il manquait de vitesse. Il est toutefois pensé que pour l’instant la pratique est limitée à des vagues molles avec du fond, comme ce que fait Bruno André ou en downwind comme l’a prouvé Kai Lenny. La question se pose : pourquoi une planche de race ne pourrait-elle pas monter sur le foil sur du plat ? Il faudra, je pense, encore quelques années pour que ça se développe en SUP pour le plat.
Le Wing-foiling est l'une des disciplines les plus récentes dans le domaine des sports de foil. Elle consiste à tenir dans les mains une aile gonflable (semblable à un kite, mais sans lignes). Le rider se tient debout sur une planche de foil et utilise le vent pour se déplacer sur l'eau, combinant des éléments de surf, de planche à voile et de kitesurf.