Les matériaux granulaires ont envahi notre vie quotidienne depuis longtemps. Sucre et sel dans nos cuisines, tas de blé, sacs de ciment et de sable dans les entreprises : autant d’exemples de grains auxquels nous ne prêtons même plus attention. Pourtant, leur empilement répond à des lois physiques précises dont l’étude est la spécialité du GRASP (Group for Research and Applications in Statistical Physics) créé à l’université de Liège en 1999 par le professeur Nicolas Vandewalle. Des chercheurs qui ne pouvaient qu’être attirés par de bien étranges tours de sable…

Si on laisse s’écouler du sable petit à petit, il se forme un tas –une pyramide conique- qui va s’étaler plus ou moins selon un angle appelé angle d’avalanche.  Il en va de même si l’on répète l’expérience lorsque le sable s’écoule dans l’eau. Seule différence avec le sable sec : l’angle d’avalanche n’aura pas la même valeur (en fait, la différence est très faible. On peut presque dire que l’angle ne change pas), la forme du tas ne sera donc pas identique même si les autres paramètres n’ont pas varié. Mais ces deux situations –sable sec ou sable entièrement sous eau- ne sont pas les seules possibles. On peut en effet envisager le cas de grains de sable qui s’écoulent sur un tas dont la base est sous eau mais le sommet à l’air libre. Autrement dit, il existe une interface air-eau qui traverse le cône de sable. C’est cette situation qu’ont étudiée Stéphane Dorbolo, chercheur qualifié FNRS, et deux post-doctorants qui poursuivent actuellement des recherches au sein du GRASP, Florian Moreau et Felipe Pacheco-Vàzquez. Et là, surprise : dans certaines conditions, les grains de sable qui tombent ne viennent plus constituer un joli tas…. mais ils s’élèvent en une tour étroite ! (voir vidéo)

Pour comprendre ce phénomène spectaculaire, il faut regarder de près ce qui se passe entre les grains de sable. « Lorsqu’il y a présence de liquide, explique Stéphane Dorbolo, quatre situations sont possibles qui sont déterminées par le degré d’humidité (de saturation) du tas de sable sur lequel tombent les grains ». La première est dite pendulaire (pendular). Dans ce cas, il y a peu de liquide, le degré d’humidité est faible. Cela se traduit par la formation de simples ponts liquides entre certains grains de sable, ce qui suffit à assurer une certaine cohésion entre grains (voir illustration).