Comment faire un plasma de raisin au micro-ondes? Prenez un grain de raisin. Coupez-le en deux presque entièrement, en prenant soin de laisser un petit isthme de peau entre les deux hémisphères. Placez-le dans votre four micro-ondes, pleine puissance: au bout de quelques secondes apparaît un flash lumineux, comme si le fruit avait spontanément flambé. Le plasma est prêt (mais ne tentez pas l’expérience chez vous, par sécurité).

Le coup du raisin dans le four fait le bonheur de vidéastes en herbe sur internet. Certaines vidéos consacrées au sujet cumulent plus de deux millions de vues. Mais les explications proposées ne satisfont personne. Si bien que des physiciens canadiens se sont penchés sur le mécanisme, notamment en l’observant avec des caméras thermiques à haute vitesse. Ils viennent de publier les résultats de leurs travaux dans la revue PNAS du 18 février.

Soupe d’électrons

Un plasma, parfois qualifié de «quatrième état de la matière» après les états solide, liquide et gazeux, correspond à un gaz dont on aurait excité les molécules en leur conférant de l’énergie, par exemple en les chauffant. Ceci augmente leur agitation jusqu’à un certain seuil au-delà duquel elles perdent leurs électrons, lesquels forment alors un plasma, «soupe» dans laquelle baignent les noyaux atomiques orphelins et également des ions.

On s’attendrait à observer ce phénomène au cœur d’un réacteur à fusion nucléaire dernier cri plutôt que dans un vulgaire four micro-ondes. Sauf que ces rayonnements électromagnétiques ne chauffent apparemment pas que les raisins: «Si l’on place une ampoule contenant un gaz raréfié dans un four micro-ondes, alors on assiste aussi à la création d’un plasma», dit Yves Martin, adjoint du directeur du Swiss Plasma Center à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne.

Les vidéos disponibles montrent pratiquement toutes un grain de raisin presque tranché en deux. Et pour cause, la plupart des hypothèses en vogue consacrent une grande importance à ce petit pont, riche en électrolytes, ainsi qu’aux surfaces aqueuses exposées, qui facilitent la propagation du courant électrique.

Table rase

Mais l’équipe d’Hamza Khattak de l’université Trent à Peterborough au Canada a tenu à faire table rase des idées reçues. Pour estimer l’importance de la découpe, le physicien a placé au four deux grains entiers, simplement posés l’un contre l’autre. Dans une autre expérience, il a remplacé les fruits par des billes d’hydrogel constituées presque exclusivement d’eau pure, sans peau. A chaque fois, il a pu observer la formation d’un plasma. «Ni la peau ni la surface humide ne sont essentielles à la formation du plasma», écrit Hamza Khattak.

Examinant le spectre d’émission du plasma, les physiciens ont établi qu’il était le résultat de l’ionisation, au niveau du point de contact, d’ions potassium et sodium, lesquels sont par ailleurs présents en abondance dans la peau de raisin. Mais ces deux éléments ne peuvent déclencher à eux seuls les plasmas vus dans les fours. Hamza Khattak avance que les ions ainsi excités entreraient en résonance avec les ondes électromagnétiques du micro-ondes, ce qui déclencherait une ionisation en cascade de l’air ambiant.

S’intéressant ensuite au mécanisme se cachant derrière le raisin enflammé, les physiciens ont modélisé la distribution énergétique et thermique au sein des raisins filmés et ont constaté que les températures et les densités d’énergie les plus importantes se trouvent au centre du grain lorsque celui-ci est isolé, et au point de contact lorsque les deux grains sont accolés. Ils concluent que «les raisins se comportent comme des sphères d’eau dans lesquelles se forment des cavités résonantes sous l’effet des ondes». Ces petites cavités seraient responsables de l’entrée en résonance des ions, et donc du plasma.

Selon Hamza Khattak, ces humbles raisins et leur plasma pourraient ouvrir la voie à de futures recherches en nanophotonique. Mais le physicien a sa curiosité piquée au vif par une autre étrangeté qu’il a remarquée: les billes d’hydrogel semblent rebondir les unes contre les autres en une oscillation régulière, ce que les auteurs attribuent à l’effet Leidenfrost, celui-là même qui a lieu lorsqu’une goutte d’eau roule comme une bille sur une plaque chauffante. Encore une expérience à faire en cuisine…