La trajectoire d'un fond de fissure, montrant un cycle d'oscillation. La ligne horizontale ondulée montre la trajectoire de la pointe de la fissure. Crédit : Institut des sciences Weizmann
On dit qu'un maillon faible détermine la force de toute la chaîne. De même, des défauts ou de petites fissures dans un matériau solide peuvent en fin de compte déterminer la résistance de ce matériau - dans quelle mesure il résistera à diverses forces. Par exemple, si une force est exercée sur un matériau contenant une fissure, les contraintes internes importantes se concentreront sur une petite région près du bord de la fissure. Quand cela arrive, un processus d'échec est lancé, et le matériau pourrait commencer à céder autour du bord de la fissure, qui pourrait alors se propager, conduisant à la défaillance ultime du matériau.
Quoi, exactement, se passe juste au bord de la fissure, dans la zone où ces contraintes importantes sont concentrées ? Prof. Eran Bouchbinder du Département de Physique Chimique du Weizmann Institute of Science, qui a mené des recherches sur cette question avec le Dr Chih-Hung Chen et le professeur Alain Karma de la Northeastern University, Boston, explique que les processus qui se déroulent dans cette région sont universels – ils se produisent de la même manière dans différents matériaux et dans différentes conditions. "La caractéristique la plus remarquable que nous ayons découverte, " dit le Pr Bouchbinder, "est la relation non linéaire entre la force des forces et la réponse ayant lieu dans le matériau adjacent à la fissure. Cette région non linéaire, que la plupart des études négligent, est en fait fondamentalement important pour comprendre comment les fissures se propagent. Notamment, elle est intimement liée à des instabilités qui peuvent provoquer la propagation des fissures selon des trajectoires sinueuses ou leur scission, quand on s'attendrait à ce qu'ils continuent simplement en ligne droite."
En étudiant les forces en jeu près du bord de la fissure, Le professeur Bouchbinder et ses collègues ont développé une nouvelle théorie - publiée récemment dans Physique de la nature – qui permettront aux chercheurs de comprendre, calculer, et prédire la dynamique des fissures dans diverses conditions physiques. Cette théorie peut avoir des implications importantes pour la recherche en physique des matériaux et pour comprendre les manières dont les matériaux échouent.
(l) Une séquence d'instantanés révélant le début de l'instabilité ondulée (oscillatoire) des fissures ultra-rapides telle qu'obtenue à partir des solutions numériques de la nouvelle théorie, en accord quantitatif avec les expériences. (r) Une expérience dans un gel de polyacrylamide fragile est d'accord avec la théorie. L'expérience a été réalisée dans le laboratoire du professeur Jay Fineberg de l'Université hébraïque de Jérusalem. Crédit : Institut des sciences Weizmann
Îles de douceur
Explorer un autre sujet, dans un article paru récemment dans le Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique ( PNAS ), Le professeur Bouchbinder et un groupe de collègues ont étudié les propriétés fondamentales de « l'état vitreux » de la matière.
L'état vitreux peut exister dans une large gamme de matériaux si leur état liquide est refroidi assez rapidement pour éviter qu'ils ne prennent une allure ordonnée, état cristallin. Les verres sont ainsi désordonnés, ou amorphe, solides et comprennent, par exemple, verre de fenêtre, plastiques, matériaux caoutchouteux, et les métaux amorphes. Même si ces matériaux sont partout autour de nous et trouvent une vaste gamme d'applications, comprendre leurs propriétés physiques a été extrêmement difficile, dû, en grande partie, au manque d'outils pour caractériser leurs structures intrinsèquement désordonnées et caractériser comment ces structures affectent les propriétés des matériaux.
Dr Jacques Zylberg du groupe du Pr Bouchbinder, Dr Edan Lerner de l'Université d'Amsterdam, Dr Yohai Bar-Sinai de l'Université Harvard (un ancien doctorant du Prof. Bouchbinder's), et le professeur Bouchbinder a trouvé un moyen d'identifier les régions particulièrement molles à l'intérieur des matériaux vitreux. Ces "points faibles, " qui sont identifiés en mesurant l'énergie thermique locale à travers le matériau, se sont avérés très sensibles aux changements structurels lorsqu'une force est appliquée. En d'autres termes, ces points mous jouent un rôle central lorsque les matériaux vitreux se déforment et s'écoulent de manière irréversible sous l'action de forces extérieures. La théorie développée par les chercheurs nous rapproche ainsi de la compréhension des mystères de l'état vitreux de la matière.
