C'est un phénomène que beaucoup d'enfants d'âge préscolaire connaissent bien :lorsque vous mélangez de la fécule de maïs et de l'eau, des choses étranges arrivent. Swish doucement dans un bol, et le mélange clapote comme un liquide. Pressez-le, et ça commence à ressembler à de la pâte. Roule-le entre tes mains, et il se solidifie en une boule caoutchouteuse. Essayez de tenir cette balle dans la paume de votre main, et il s'écoulera sous forme de liquide.

La plupart d'entre nous qui avons joué avec ce truc le savent comme "oobleck, " nommé d'après un goo vert collant dans "Bartholomew and the Oobleck" du Dr Seuss. Scientifiques, d'autre part, se réfèrent à la fécule de maïs et à l'eau comme un « fluide non newtonien », un matériau qui semble plus épais ou plus mince selon la façon dont il est physiquement manipulé.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont développé un modèle mathématique qui prédit le comportement étrange d'oobleck. En utilisant leur modèle, les chercheurs ont simulé avec précision comment oobleck passe d'un liquide à un solide et inversement, sous diverses conditions.

En plus de prédire ce que les choses pourraient faire entre les mains des tout-petits, le nouveau modèle peut être utile pour prédire comment l'oobleck et d'autres solutions de particules ultrafines pourraient se comporter pour des applications militaires et industrielles. Une substance semblable à un oobleck pourrait-elle remplir les nids-de-poule des autoroutes et durcir temporairement lorsqu'une voiture passe dessus ? Ou peut-être que le lisier pourrait recouvrir la doublure des gilets pare-balles, se transformant brièvement en un bouclier supplémentaire contre les impacts soudains. Avec le nouveau modèle oobleck de l'équipe, les concepteurs et les ingénieurs peuvent commencer à explorer de telles possibilités.

"C'est un matériau simple à fabriquer - vous allez à l'épicerie, acheter de la fécule de maïs, puis ouvrez votre robinet, " dit Ken Kamrin, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. "Mais il s'avère que les règles qui régissent la façon dont ces flux de matières sont très nuancées."

Kamrine, avec l'étudiant diplômé Aaron Baumgarten, ont publié leurs résultats aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Un modèle trapu

Le travail principal de Kamrin se concentre sur la caractérisation de l'écoulement de matériaux granulaires tels que le sable. Au cours des années, il a développé un modèle mathématique qui prédit avec précision le flux de grains secs dans un certain nombre de conditions et d'environnements différents. Lorsque Baumgarten a rejoint le groupe, les chercheurs ont commencé à travailler sur un modèle pour décrire comment le sable humide saturé se déplace. C'est à cette époque que Kamrin et Baumgarten ont assisté à une conférence scientifique sur l'oobleck.

"Nous avions vu ce discours, et nous avons eu un long débat sur ce qui est oobleck, et en quoi est-ce différent du sable humide, " dit Kamrin. " Après quelques échanges vigoureux avec Aaron, il a décidé de voir si nous pouvions transformer ce modèle de sable humide en un modèle pour oobleck."

Le matériau granulaire du oobleck est beaucoup plus fin que le sable :une seule particule de fécule de maïs mesure environ 1 à 10 microns de large et environ un centième de la taille d'un grain de sable. Kamrin dit que les particules à une si petite échelle subissent des effets que les particules plus grosses telles que le sable n'en ont pas. Par exemple, parce que les particules de fécule de maïs sont si petites, ils peuvent être influencés par la température, et par les charges électriques qui s'accumulent entre les particules, les faisant se repousser légèrement l'un contre l'autre.

"Tant que vous écrasez lentement, les grains se repousseront, en gardant une couche de fluide entre eux, et juste glisser l'un sur l'autre, comme un fluide, " dit Kamrin. " Mais si vous faites quelque chose trop vite, tu surmonteras cette petite répulsion, les particules vont se toucher, il y aura des frictions, et il agira comme un solide."

Cette répulsion qui se produit à petite échelle fait ressortir une différence clé entre les mélanges de gros grains et ultrafins à l'échelle du laboratoire :la viscosité, ou la consistance du sable humide à une densité de tassement donnée reste la même, que vous le remuiez doucement ou que vous lui enfonciez le poing. En revanche, oobleck a un faible, viscosité semblable à celle d'un liquide lorsqu'on agite lentement. Mais si sa surface est perforée, une zone à croissance rapide de la suspension adjacente au point de contact devient plus visqueuse, faisant rebondir la surface d'oobleck et résister à l'impact, comme un trampoline solide.

Ils ont découvert que le stress était le facteur principal pour déterminer si un matériau était plus ou moins visqueux. Par exemple, le oobleck plus rapide et plus énergique est perturbé, plus c'est "agglutiné", c'est-à-dire plus les particules sous-jacentes font de la friction, par opposition à lubrifié, contact. S'il se déforme lentement et doucement, oobleck est moins visqueux, avec des particules mieux réparties et qui se repoussent les unes contre les autres, comme un liquide.

L'équipe a cherché à modéliser l'effet de répulsion des particules fines, avec l'idée que peut-être une nouvelle "variable de motte" pourrait être ajoutée à leur modèle de sable humide pour faire un modèle précis de oobleck. Dans leur modèle, ils incluaient des termes mathématiques pour décrire comment cette variable augmenterait et diminuerait sous une certaine contrainte ou force.

"Maintenant, nous avons un moyen robuste de modéliser à quel point tout morceau de matériau dans le corps sera aggloméré lorsque vous le déformez de manière arbitraire, " dit Baumgarten.

Les roues tournent

Les chercheurs ont intégré cette nouvelle variable dans leur modèle plus général pour le sable humide, et regardé pour voir si cela prédirait le comportement d'oobleck. Ils ont utilisé leur modèle pour simuler des expériences précédentes par d'autres, y compris une configuration simple d'oobleck étant pressé et cisaillé entre deux plaques, et un ensemble d'expériences dans lesquelles un petit projectile est tiré dans un réservoir d'oobleck à différentes vitesses.

Dans tous les scénarios, les simulations correspondaient aux données expérimentales et reproduisaient le mouvement du oobleck, reproduire les régions où il s'est transformé de liquide en solide, et retour.

Pour voir comment leur modèle pourrait prédire le comportement d'oobleck dans des conditions plus complexes, l'équipe a simulé une roue à dents roulant à différentes vitesses sur un lit profond de boue. Ils ont trouvé que plus la roue tournait vite, plus le mélange formait ce que Baumgarten appelle un "front de solidification" dans le oobleck, qui supporte momentanément la roue pour qu'elle puisse rouler sans couler.

Kamrin et Baumgarten disent que le nouveau modèle peut être utilisé pour explorer comment diverses solutions de particules ultrafines telles que oobleck se comportent lorsqu'elles sont utilisées comme, par exemple, remplissages pour nids-de-poule, ou des gilets pare-balles. Ils disent que le modèle pourrait également aider à identifier des moyens de rediriger les boues via des systèmes tels que des installations industrielles.

"Avec les déchets industriels, vous pourriez obtenir des suspensions de particules fines qui ne s'écoulent pas comme vous le souhaitez, et vous devez les déplacer de cette cuve à cette cuve, et il peut y avoir des bonnes pratiques que les gens ne connaissent pas encore, car il n'y a pas de modèle pour ça, " dit Kamrin. " Peut-être que maintenant il y a. "