Sauf dans l’imagination des professeurs de physique, les dispositifs sans frottement sont difficiles à trouver. Mais en mettant un groupe de bactéries nageuses dans une goutte d’eau, on obtient exactement cela : un fluide avec une résistance nulle au mouvement. Fait incroyable, cette résistance (ou viscosité, comme on l’appelle) peut même devenir négative, créant un liquide autopropulsé qui pourrait, par exemple, faire tourner un moteur d’une manière qui semble défier les lois de la thermodynamique. Des travaux récents expliquent comment les bactéries conspirent pour réaliser l’improbable.

« Pour un fluide normal, c’est impossible parce que l’ensemble serait instable », a déclaré Aurore Loisy, physicienne à l’Université de Bristol au Royaume-Uni et co-auteur de l’une des nouvelles études, « mais pour les bactéries, cela fonctionne d’une manière ou d’une autre ».

Les physiciens rêvent depuis longtemps d’obtenir quelque chose pour rien, même si ce n’est que dans le cadre d’expériences de pensée farfelues. Dans les années 1860, James Maxwell a imaginé un démon omniscient capable d’envoyer les molécules d’air rapides d’un côté de la pièce et les molécules lentes de l’autre, créant ainsi une différence de température qui pourrait alimenter un moteur. Avec un peu plus d’esprit pratique, Richard Feynman a parlé en 1962 d’un engrenage microscopique qui, lorsqu’il était bousculé par des molécules d’air, ne tournait que dans un sens, entraînant ainsi un moteur. Mais ces idées sont anéanties par la deuxième loi de la thermodynamique, qui veut que le tri ou la rotation génère de la chaleur, ce qui condamne les deux projets. Comme l’a dit le poète Allen Ginsberg, on ne peut ni gagner, ni s’en sortir.

Récemment, les preuves se sont accumulées que si un repas gratuit n’est pas envisageable, un casse-croûte bon marché pourrait être réalisable avec un système construit autour d’un fluide vivant. Des bizarreries expérimentales ont commencé à faire surface en 2015 lorsqu’une équipe française a confirmé que des solutions d’E. coli et d’eau pouvaient devenir anormalement glissantes. En plaçant une goutte entre deux petites plaques, ils ont enregistré la force nécessaire pour faire glisser une plaque à une certaine vitesse. Les liquides deviennent généralement plus difficiles à remuer, ou plus visqueux, lorsqu’ils contiennent des particules supplémentaires en suspension (pensez à l’eau ou à la boue), mais le contraire s’avère vrai lorsque les particules peuvent nager. Lorsque la solution contenait environ un demi pour cent d’E. coli par volume, le maintien de la plaque en mouvement ne nécessitait aucune force, ce qui indique une viscosité nulle. Certains essais ont même enregistré une viscosité négative, lorsque les chercheurs ont dû exercer une certaine force sur les plaques pour les empêcher de se déplacer plus rapidement. Le liquide faisait un travail, ce qui, pour tout fluide inerte, aurait signifié une violation de la deuxième loi.

La conclusion directe était que les organismes nageaient d’une manière qui neutralisait la friction interne de la solution pour produire quelque chose comme un superfluide, un liquide avec une résistance nulle. L’apparente violation thermodynamique était une illusion car les bactéries faisaient le travail nécessaire pour compenser ou surmonter la viscosité.

« Chaque bactérie individuelle est extrêmement faible, mais l’union fait la force », a déclaré Jörn Dunkel, un mathématicien du Massachusetts Institute of Technology qui n’a pas participé à l’expérience.

Mais les E. coli ne nagent généralement pas tous dans la même direction, de sorte que des recherches ultérieures ont tenté de comprendre ce qui pourrait coordonner leurs mouvements. Une réponse, selon une recherche publiée en juillet dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, est l’interaction entre les individus.

« Lorsque vous avez une forte densité, ils commencent à essaimer », a déclaré Xiang Cheng, physicien à l’Université du Minnesota et co-auteur de l’article. Mais contrairement à l’essaimage observé dans les bancs de poissons et les volées d’oiseaux, l’essaimage des E. coli est purement motivé par leurs caractéristiques physiques, et non par une réponse animée.

L’installation des chercheurs ressemblait à celle de l’équipe française, mais un microscope attaché leur permettait de suivre le comportement des bactéries. Bien sûr, lorsque le cocktail d’E. coli a atteint 10 à 20 % de bactéries par volume, des tourbillons se sont formés. En se frayant un chemin dans l’eau, qui semble épaisse comme du miel à leur échelle microscopique, les bactéries ont produit des ondes de choc qui ont secoué leurs compagnons de près et de loin.

« C’est un peu comme si vous aviez beaucoup d’étoiles dans une galaxie et qu’elles pouvaient s’influencer mutuellement », a déclaré Dunkel. Ces forces ont encouragé les groupes locaux d’E. coli nageurs à aligner leurs corps en forme de pilules.

Puis le mouvement des plaques rend ce comportement local global. Le fait de traîner la plaque supérieure envoie des forces de cisaillement ondulant dans le fluide, qui organisent et orientent en fait les essaims.

« Sans cisaillement, la direction de l’essaimage est aléatoire », a déclaré Cheng. « Sous cisaillement, vous obtenez la tendance à ce que toutes les bactéries s’alignent dans certaines directions. »

Une fois que l’influence des plaques aide les bactéries à s’installer dans un alignement moyen, leur nage pousse sur l’eau et génère des flux locaux qui transforment les propriétés à grande échelle de la solution.

Les résultats expérimentaux de Cheng sont largement cohérents avec un nouveau modèle théorique, publié juste une semaine plus tôt dans Physical Review Letters. Visant à développer un cadre mathématique pour décrire l’expérience de 2015, les chercheurs ont modifié les équations utilisées pour les cristaux liquides avec de nouveaux termes rendant compte de l’activité de la bactérie.

Leur théorie a reproduit les viscosités faibles et négatives observées dans les expériences et a également prédit que les bactéries pouvaient s’orienter collectivement dans de multiples motifs stables sous la pression des plaques.

« Vous constatez que vous avez en fait deux états possibles, deux solutions d’équilibre possibles », a déclaré Loisy.

Dunkel a comparé cet effet au fait de tenir une feuille de papier le long de ses bords supérieur et inférieur et de rapprocher les mains : Lorsque le papier se plie, il se plie soit en forme de C, soit en forme de S. Il est ensuite peu susceptible de changer de l’une de ces deux configurations jusqu’à ce qu’il soit relâché. Le travail de Cheng suggère également deux orientations à grande échelle, mais il s’attend à ce que les deux soient présentes simultanément dans différents groupes de bactéries, et que le comportement observé représente une moyenne.

Les détails sur la façon dont ces effets contribuent au comportement superfluide collectif restent à élaborer, mais personne ne conteste que le transfert d’énergie du microscopique au visible est réel, et particulier.

« Habituellement, vous ne pouvez pas faire cela. Vous ne pouvez pas alimenter un moteur avec un fluide », a déclaré Loisy.

Mais avec l’énergie bactérienne, apparemment, vous pouvez.

« Si vous aviez suffisamment de bactéries dans la bonne configuration, vous pourriez effectivement les amener à déplacer des structures », a déclaré Dunkel, ce qui soulève la possibilité alléchante d’exploiter le mouvement des plaques pour faire tourner une turbine.

En plus d’entraîner un très petit moteur à la vitesse d’une bactérie, d’autres applications potentielles incluent des « liquides intelligents » qui pourraient s’infiltrer dans les canaux souterrains pour forcer le pétrole ou les polluants, selon Harold Auradou, physicien à l’Université de Paris-Sud et coauteur de l’article de 2015.

Bien sûr, de l’avis général, les lois de la thermodynamique restent pleinement en vigueur.

« Vous ne faites rien de magique ici », a déclaré Loisy.

Deux facteurs permettent aux solutions bactériennes de réussir là où les démons et les microgars ne le font pas. Premièrement, les E. coli agissent eux-mêmes comme de petits moteurs, métabolisant l’énergie du sucre et de l’oxygène présents dans l’eau. Pour les maintenir en mouvement, les chercheurs veillent à ce que l’équilibre des nutriments soit parfait. Trop peu, et ils meurent de faim. Trop, et elles deviennent paresseuses.

« Elles sont comme des humains », dit Cheng en riant.

Mais toute l’énergie du monde ne servira à rien si elle est trop bien distribuée, ou trop désorganisée. Un système a besoin d’asymétrie pour faire passer l’énergie d’un endroit à un autre. Les moteurs thermiques ont besoin d’un fluide chaud et d’un fluide froid, par exemple, et les turbines hydroélectriques ont besoin que l’eau circule d’un point haut à un point bas. Pour les bactéries, cela se résume à leur forme allongée, qui répond aux forces de l’eau.

« Le simple fait qu’elles s’alignent, qu’il y ait une direction privilégiée, brise la symétrie », a déclaré Loisy. « Si elles étaient sphériques, cela ne fonctionnerait pas ».

Cet article a été reproduit en espagnol sur Investigacionyciencia.es.