La couche de mucus sur la face inférieure d’un pied d’escargot est un exemple de matériau mou qui cède au stress jusqu’à un certain point, puis s’écoule. Ce comportement, simplifié dans une nouvelle étude de chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, est ce qui aide l’escargot à se déplacer sans glisser encombrant, semblable à celui de nombreux autres matériaux naturels et synthétiques, de la boue aux additifs qui font couler le dentifrice quand pressé. Crédit : Photo avec l’aimable autorisation de Rodrigo Quarteu
Des années d’expérimentation méticuleuse ont porté leurs fruits pour les chercheurs visant à unifier la physique qui définit les matériaux qui passent des solides aux liquides. Les chercheurs ont déclaré qu’un nouveau modèle théorique pourrait aider à développer de nouveaux matériaux synthétiques et informer et prédire les défis du génie civil et de l’environnement tels que les coulées de boue, les ruptures de barrage et les avalanches.
L’étude, dirigée par Simon Rogers, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign, dévoile une expression mathématique unifiée qui définit comment les matériaux mous mais rigides passent d’un écoulement solide à un écoulement liquide lorsqu’ils dépassent leur seuil de contrainte spécifique. Les résultats sont publiés dans la revue Lettres d’examen physique.
“Le comportement des fluides à limite d’élasticité a traditionnellement été défini en essayant de combiner la physique de deux types de matériaux différents: les solides et les liquides”, a déclaré l’auteur principal Krutarth Kamani, étudiant diplômé en génie chimique et biomoléculaire à l’Illinois. “Mais maintenant, nous avons montré que ces états physiques – solide et liquide – peuvent coexister dans le même matériau, et nous pouvons l’expliquer en utilisant une seule expression mathématique.”
Le dentifrice coule lorsqu’il est pressé, ce qui en fait ce que les chercheurs appellent un fluide de contrainte de rendement. Crédit : Photo avec l’aimable autorisation de Scott Ehardt
Pour développer ce modèle, l’équipe a réalisé de nombreuses études qui ont soumis une variété de matériaux mous à des contraintes tout en mesurant les réponses de contrainte individuelles de type solide et liquide à l’aide d’un appareil appelé rhéomètre.
“Nous avons pu observer le comportement d’un matériau et voir une transition continue entre les états solide et liquide”, a déclaré Rogers, qui est également affilié au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l’Université de l’Illinois. « Les modèles traditionnels décrivent tous un changement brusque de comportement du solide au liquide, mais nous avons pu résoudre deux comportements distincts qui reflètent la dissipation d’énergie via des mécanismes solides et fluides. »
L’étude rapporte que ce développement donne aux chercheurs un modèle simple avec lequel travailler, ce qui facilite les calculs à grande échelle comme ceux nécessaires pour modéliser et prédire les événements catastrophiques comme les coulées de boue et les avalanches.
“Les modèles existants sont coûteux en termes de calcul et les chercheurs doivent lutter avec les chiffres pour que les calculs soient aussi précis que possible”, a déclaré Rogers. « Notre modèle est simple et plus précis, et nous l’avons montré à travers de nombreuses expériences de validation de principe. »
Les chercheurs ont déclaré que les études complexes de limite d’élasticité des fluides sont un sujet brûlant pour ceux qui étudient les flux géophysiques, l’assainissement des déchets et les processus industriels tels que le développement de nouveaux matériaux, l’impression 3D et la minimisation des coûts de transport des déchets. “Notre modèle définit un exemple de base de comportement solide-liquide, mais je pense qu’il servira de point de départ aux chercheurs pour faire des progrès significatifs dans la définition des phénomènes fluides à contrainte de rendement plus complexes.”
Référence : « Unification of the Rheological Physics of Yield Stress Fluids » par Krutarth Kamani, Gavin J. Donley et Simon A. Rogers, 25 mai 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.126.218002
La National Science Foundation, le département américain de l’Énergie et les laboratoires nationaux Sandia ont soutenu cette recherche.
