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L’eau chaude refroidit parfois plus vite que l’eau froide et l’inverse est aussi vrai. Des chercheurs se penchent sur cet étrange phénomène.
Glaçon fondu, eau frémissante, condensation sur les vitres : on expérimente au quotidien le passage de l’eau par différents états. Mais dans des cas bien particuliers, elle adopte des comportements étranges et difficilement explicables par la science. « Par exemple, on s’attend à ce que ce soit plus long de faire geler de l’eau chaude que de l’eau tiède. Or, on sait depuis l’époque d’Aristote que, parfois, c’est l’inverse qui se produit », illustre Raphaël Chétrite, mathématicien au Laboratoire J. A. Dieudonné, à Nice.
Et cet étrange phénomène pourrait même se produire dans l’autre sens : une eau froide pourrait ainsi se réchauffer plus vite qu’une eau tiède ! C’est ce qu’avance une étude cosignée par le chercheur et publiée début 2022 dans les Proceedings of the National Academy of Sciences. « On est les premiers à voir cet effet inverse », se réjouit l’auteur principal John Bechhoefer, professeur au département de physique de l’Université Simon Fraser, en Colombie-Britannique.
Pour mieux comprendre les choses, il faut revenir en 1963, date à laquelle ce phénomène contre-intuitif ressurgit dans le milieu scientifique après quelques siècles d’oubli. Un élève tanzanien de 13 ans, Erasto Mpemba, fait alors geler par hasard du lait brûlant plus rapidement que ses camarades, qui avaient attendu que leur « crème glacée » tiédisse avant de la mettre au congélateur. Il publie sa découverte en 1969 et lui donne son nom, l’effet Mpemba.
Depuis, de nombreux chercheurs se sont penchés sur cet effet pour tenter de l’expliquer. Mais si l’expérience du verre d’eau bouillante mis au congélateur jusqu’à ce que l’eau gèle semble simple à réaliser, la réaction est très complexe à étudier. L’eau ne gèle pas instantanément ; faut-il attendre que toute l’eau soit devenue glaçon ou qu’une fine couche de glace ait commencé à se former ? Chacun interprète la « recette » à sa façon. « Et chaque expérience est difficile à répéter, car le système est très sensible aux poussières, à la rugosité des parois du verre, etc. », mentionne John Bechhoefer. Au fil des ans, les résultats ont donc été très variables selon les études, voire contradictoires.
D’où l’idée du chercheur de laisser de côté le verre d’eau et d’opter pour un système beaucoup plus petit et facilement contrôlable pour voir si cet effet est démontrable avec d’autres dispositifs. Le verre d’eau et le congélateur ont été remplacés par une bille de verre microscopique, quelques lasers optiques et une bonne dose de calculs mathématiques. L’expérience est alors ramenée à une échelle de science beaucoup plus fondamentale, mais elle peut ainsi être répétée des centaines de fois dans les mêmes conditions. Les premiers résultats, publiés en août 2020 dans Nature, ont montré que l’effet existait bel et bien avec ce dispositif optique. Et les chercheurs viennent de révéler que l’inverse était aussi observable. Reste à expliquer comment l’eau parvient ainsi à tromper notre intuition. Diverses hypothèses ont été avancées, comme les courants de convection, le rôle des gaz dissous ou la force des liaisons H-O de l’eau, mais aucune ne fait encore consensus. Ce système simplifié aidera peut-être à trancher. Qui eût cru qu’il y avait tant de science et de mystère derrière les glaçons ?
