La manière dont les liquides, et l’eau en particulier, se comportent à l’échelle de quelques nanomètres constitue l’une des grandes lacunes de la physique moderne.Notre corps renferme un système complexe de minuscules vaisseaux dans lesquels circulent le sang, l’eau et d’autres molécules. Lorsque la taille des vaisseaux se réduit à l’échelle nanométrique, où seules quelques molécules peuvent se côtoyer, les lois classiques de la physique régissant le comportement de l’eau sont influencées par la structure atomique des parois. «Ce n’est pas que l’hydrodynamique classique ne s’applique plus, mais plutôt qu’elle se mêle à la physique de la matière condensée des parois solides», explique Nikita Kavokine, professeur assistant au Laboratoire quantum plumbing de l’EPFL.La manière dont les liquides, et l’eau en particulier, se comportent à l’échelle de quelques nanomètres constitue l’une des grandes lacunes de la physique moderne. Par exemple, certaines expériences ont montré que l’eau s’écoule à travers des nanotubes de carbone à une vitesse supérieure de plusieurs ordres de grandeur à ce qui était prévu. Les scientifiques tentent de comprendre des phénomènes que la biologie a maîtrisés après des millions d’années d’évolution. «À l’échelle nanométrique, notre corps exploite les propriétés spécifiques de l’eau pour filtrer les molécules avec un rendement énergétique élevé», poursuit Nikita Kavokine. Les aquaporines, par exemple, sont des canaux protéiques intégrés dans les membranes cellulaires qui utilisent ces interactions à l’échelle moléculaire pour laisser passer l’eau tout en bloquant les ions et d’autres molécules.Un mécanisme méconnuÀ l’échelle nanométrique, les molécules d’eau interagissent avec les électrons de la paroi du canal par couplage électromagnétique. «C’est là que les choses deviennent quantiques. Raison pour laquelle nous parlons de plomberie quantique», explique le professeur. Les chercheuses et chercheurs ont découvert que ces interactions entre l’eau et les parois du canal créent un nouveau mécanisme de frottement. Dans ce mécanisme, les molécules d’eau et les électrons de la paroi se repoussent mutuellement, créant une source de dissipation d’énergie. Cependant, les détails de ce mécanisme font encore l’objet de recherches. «Paradoxalement, nous connaissons très bien le comportement des électrons à petite échelle, mais très peu celui des liquides», note Nikita Kavokine.La friction étant une force, il existe un transfert net d’impulsion vers les électrons de la paroi, conduisant à une sorte de traînée hydroélectronique, où le flux d’eau entraîne les électrons le long de la surface. Cette impulsion supplémentaire génère un courant électrique circulant à travers le solide. Ce courant pourrait offrir un nouveau moyen de convertir l’énergie hydraulique à l’échelle nanométrique. À l’avenir, cette conversion d’énergie hydroélectrique à petite échelle pourrait être utilisée pour la récupération d’énergie dans toutes sortes de processus de filtration sans recourir à des ions dissous. Ce mécanisme pourrait également contribuer au traitement de l’eau et à la récupération d’énergie à partir des gradients de salinité là où l’eau de mer rencontre l’eau douce.Des nanocanaux individuels aux organes artificielsLa mise en œuvre expérimentale et technique d’un nanocanal unique, indispensable à la réalisation des études, représente un véritable défi. «Plusieurs groupes travaillent sur ce problème à travers le monde, mais nous disposons encore de trop peu d’expérience pour tirer des conclusions définitives», affirme Nikita Kavokine. Fabriquer un nanocanal unique fonctionnant comme un canal ionique biologique est déjà une tâche complexe. Mais pour des applications intéressantes, il faudrait construire de grands réseaux intégrant des milliers, voire des millions, de ces canaux sur une puce et au sein d’une architecture contrôlée. «Dans les prochaines années, nous commencerons à relever ce défi technique qui consiste à transposer la nanofluidique fondamentale vers des applications utiles», espère Nikita Kavokine.Mais le domaine est encore jeune: la nanofluidique n’est apparue qu’il y a une vingtaine d’années. Les chercheuses et chercheurs commencent tout juste à comprendre les mécanismes fondamentaux de l’écoulement des liquides dans les nanocanaux, tant sur le plan théorique qu’expérimental. «Les équations dont nous disposons actuellement ne constituent pas le langage adéquat pour décrire ce que nous observons dans nos expériences», admet Nikita Kavokine. C’est pourquoi une partie des travaux menés au Quantum Plumbing Lab vise à développer de nouveaux cadres théoriques permettant de mieux comprendre ces observations.La construction de ces nanotubes n’est qu’un des nombreux projets menés par le laboratoire de l'EPFL. D’autres visent à explorer la structure interne des nanotubes de carbone à l’aide de la détection quantique. Cela permettrait de comprendre pourquoi l’eau s’écoule à travers eux pratiquement sans aucun frottement.À long terme, la mise à l’échelle des dispositifs monocanal pourrait mener à la fabrication de réseaux nanofluidiques artificiels imitant les réseaux naturels. Ce serait la première étape vers la création de nouvelles architectures informatiques à haut rendement basées sur l’eau et le sel. Cependant, il reste encore un long chemin à parcourir avant de pouvoir mettre en œuvre ces réseaux. «Nous sommes seulement en train de comprendre comment tout cela fonctionne. Mon rêve est de construire quelque chose comme un cerveau artificiel ou un rein qui rivalise avec leurs équivalents biologiques en termes d’efficacité énergétique», conclut Nikita Kavokine.Une recette pour mélanger l’eau et l’huileMais toutes les propriétés insolites de l'eau ne se manifestent pas seulement à l'échelle nanométrique. Certains phénomènes qui restent encore inexpliqués peuvent être observés dans la vie quotidienne. Par exemple, on sait bien que, dans des conditions normales, l'eau et l'huile ne se mélangent pas. Elles peuvent toutefois former des émulsions. Le mécanisme à l’origine de la stabilité des nanogouttelettes a été révélé par Sylvie Roke, directrice du Laboratoire de biophotonique fondamentale de l’EPFL, et son équipe. À l’aide de techniques optiques, les scientifiques ont créé des gouttelettes d’huile microscopiques capables de se mélanger à l’eau. Cette observation s’explique par le transfert de petites quantités de charges électriques de l’eau à l’huile à travers l’interface entre les deux liquides, via de faibles interactions de liaison hydrogène.L’interface entre l’eau et l’huile peut révéler de nombreux autres processus. L’équipe de la professeure a, par exemple, expliqué comment la basicité influence le mouvement des gouttelettes d’huile dans l’eau. Ce mécanisme est lié à la conductivité de l’eau en phase continue, qui dépend du pH. Ce mécanisme général pourrait aider à expliquer un large éventail de processus dépendant du pH en biologie, en chimie et en nanotechnologie.Comprendre l’eau au niveau moléculaire exige toutefois d’observer comment les liaisons hydrogène se forment et s’organisent en réseau. Une nouvelle méthode mise au point par le laboratoire de Sylvie Roke permet de mesurer directement les liaisons hydrogène en interaction dans l’eau. «Nous pouvons maintenant mesurer le transfert de charge, les effets quantiques nucléaires et d’autres phénomènes insaisissables directement à l'échelle atomique où ils se produisent. C’est presque comme mesurer l’incommensurable», explique la professeure. Cette technique offre un accès direct au couplage moléculaire et peut, en principe, aider à élucider de nombreuses autres propriétés de l’eau et autres liquides.RéférencesCet article a été publié dans l'édition de juin 2026 du magazine Dimensions, qui met en avant l’excellence de l’EPFL par le biais de dossiers approfondis, d’interviews, de portraits et d’actualités.