Les premiers aimants… liquides

Même s’il est un phénomène quantique, le magnétisme est bien connu de tout un chacun à cause des effets qu’il produit. Bien rares sans doute sont les enfants qui n’ont jamais joué avec des aimants, s’amusant à attirer des pièces de fer ou faisant se repousser 2 d’entre eux. Et cela depuis la nuit des temps. Le phénomène est cependant resté mystérieux pendant des siècles. Certes, au 18^e siècle, Coulomb montre que les forces qui s’exercent entre 2 charges magnétiques sont inversement proportionnelles au carré de la distance qui les sépare. Mais cela n’explique en rien le phénomène. C’est bien plus tard qu’on découvre que tout se joue au niveau des atomes, dont chaque électron possède un petit moment magnétique à cause de son spin (rotation). Les électrons de moments magnétiques opposés ont évidemment tendance à se regrouper. Ce qui produit un moment nul au niveau microscopique. C’est la raison pour laquelle la plupart des matériaux ne sont pas des aimants. Mais il peut arriver que des électrons soient sans partenaire, isolés. Dans ce cas, les moments s’additionnent et il y a une aimantation au niveau macroscopique. Que cela se produise durablement est rare: seuls les métaux dits de transition (fer, nickel…) et des terres rares ont cette propriété. C’est un phénomène appelé ferromagnétisme; ces matériaux ont la propriété d’avoir une aimantation forte – et le plus souvent permanente – même en l’absence de champ magnétique extérieur. Le plus souvent en effet, un corps devient magnétique lorsqu’on lui applique un champ électromagnétique. Mais dans un cas comme dans l’autre, c’est du solide… au sens premier de l’expression.

Des chercheurs du Département de l’énergie du Lawrence Berkeley National Laboratory ont publié en juillet dernier dans la revue Science (1) le résultat d’une expérience qui vient bouleverser ce qu’on croyait acquis: il pourra exister des aimants liquides. Autrement dit, il existera dorénavant une matière molle magnétique. Les chercheurs sont partis d’un ferrofluide, c’est-à-dire un liquide qui contient en suspension des particules d’oxyde de fer qui deviennent magnétiques lorsqu’elles sont soumises à un champ magnétique, avec l’idée de trouver ce qu’il faut faire pour le rendre magnétique de manière permanente. Pour cela, ils ont imprimé en 3D des gouttelettes d’1 mm de diamètre au sein du ferrofluide, gouttelettes contenant des nanoparticules d’oxyde de fer de 20 nanomètres de diamètre (la taille d’une protéine). Ces particules ne sont donc plus libres au sein du fluide (comme dans le cas de ferrofluide non permanent) mais encapsulées dans des gouttelettes. Résultat, les chercheurs ont observé que des nanoparticules se regroupent pour former une sorte de coque solide à la surface entre les gouttelettes et le liquide dans lequel elles baignent. Les gouttelettes ont ensuite été soumises à un champ magnétique, ce qui les a rendues magnétiques elles-mêmes (elles ont entamé une sorte de chorégraphie, selon les chercheurs, s’attirant et se repoussant, comme le font des aimants selon leur polarité). Mais le plus incroyable est que cette propriété a perduré même en l’absence de champ: les gouttelettes, donc le liquide, étaient devenues magnétiques. Selon les chercheurs, lorsque le champ magnétique est coupé, les nanoparticules qui ont été se coller à la surface des gouttelettes ne sont plus libres de leur orientation (elles se figent) et transmettent cette orientation aux autres particules qui sont restées au centre de la gouttelette. Celle-ci est donc aimantée entièrement; les nanoparticules sont toutes orientées dans le même sens d’où l’apparition d’un moment magnétique macroscopique non nul.

Selon les chercheurs, leur découverte pourrait mener à des applications allant de la confection de cellules artificielles pouvant servir de traitements ciblés à celle de robots liquides adaptant leur forme à leur environnement.