Apprendre comment les matériaux réagissent lorsqu'ils sont compressés dans la "frustration géométrique" est à l'origine de la science de la théorie du froissement, qui aide à la conception de toutes sortes de produits et de matériaux de tous les jours. Paul Taylor/Getty Images Qu'est-ce qu'une feuille de papier écrasée en boule et jetée dans une poubelle, l'avant d'une voiture se déformant lors d'un accident, et la croûte terrestre formant progressivement des montagnes sur des millions d'années ont-elles toutes en commun ? Ils subissent tous un processus physique appelé froissement, qui se produit lorsqu'une feuille de matériau relativement mince - une avec une épaisseur bien inférieure à sa longueur ou à sa largeur - doit s'insérer dans une zone plus petite.
Et bien qu'il soit facile d'imaginer le froissement comme un simple désarroi décousue, les scientifiques qui ont étudié le froissement ont découvert que c'était tout sauf ça. Au contraire, le froissement s'avère être prévisible, processus reproductible régi par les mathématiques. La dernière percée dans notre compréhension du froissement est un article récemment publié dans Nature Communications, dans lequel les chercheurs décrivent un modèle physique de ce qui se passe lorsque des feuilles minces sont froissées, déplié et froissé.
"Dès le plus jeune âge, tout le monde est habitué à froisser une feuille de papier en boule, le dépliant, et en regardant le réseau compliqué de plis qui se forment, " explique Christopher Rycroft, l'auteur correspondant de l'article. Il est professeur agrégé à la John Al Paulson School of Engineering and Applied Sciences de l'Université Harvard, et chef du groupe Rycroft pour le calcul scientifique et la modélisation mathématique. "En surface, cela semble être un hasard, processus désordonné, et vous pourriez penser qu'il est difficile de prédire quoi que ce soit sur ce qui se passe."
"Supposons maintenant que vous répétiez ce processus, froisser à nouveau le papier, et dépliez-le. Vous obtiendrez plus de plis, " Rycroft écrit dans un e-mail. " Cependant, vous ne doublerez pas le nombre, car les plis existants fragilisent déjà le drap et lui permettent de se plier plus facilement la deuxième fois."
Cette idée a constitué la base d'expériences réalisées il y a plusieurs années par un autre des auteurs de l'article, l'ancien physicien de Harvard Shmuel M. Rubinstein, qui est maintenant à l'Université hébraïque de Jérusalem, et ses élèves. Comme Rycroft l'explique, Rubenstein et son équipe ont froissé une feuille mince à plusieurs reprises et ont mesuré la longueur totale des plis sur la feuille, qu'ils appelaient "kilométrage". Cette recherche est décrite dans cet article de 2018.
"Ils ont constaté que la croissance du kilométrage est étonnamment reproductible, et chaque fois que l'accumulation de nouveau kilométrage serait un peu moins, car la feuille s'affaiblit progressivement, " dit Rycroft.
Cette découverte a déconcerté la communauté des physiciens, et Rycroft et la doctorante de Harvard Jovana A Andrejevic voulaient comprendre pourquoi le froissement se comporte de cette façon.
« Nous avons constaté que le moyen de progresser n'était pas de se concentrer sur les plis eux-mêmes, mais plutôt de regarder les facettes intactes qui sont soulignées par les plis, " dit Rycroft.
La longueur totale des plis sur une feuille de papier froissé s'appelle son « kilométrage ». Le froissement répété produit moins de nouveau kilométrage à mesure que le papier s'affaiblit. Flavio Coelho/Getty Images « Dans l'expérience, de fines feuilles de Mylar, un film fin qui se froisse comme du papier, ont été systématiquement froissés à plusieurs reprises, développer de nouveaux plis à chaque répétition, " Andrejevic, l'auteur principal de l'article 2021, explique par e-mail. « Entre les froissements, les feuilles ont été soigneusement aplaties et leur profil de hauteur scanné à l'aide d'un instrument appelé profilomètre. Le profilomètre effectue des mesures de la carte de hauteur sur toute la surface de la feuille, qui nous permet de calculer et de visualiser les emplacements des plis sous forme d'image."
Parce que les plis peuvent être désordonnés et irréguliers, il génère des données "bruyantes" qui peuvent être difficiles à comprendre pour l'automatisation informatique. Pour contourner ce problème, Andrejevic a tracé à la main les motifs de plis sur 24 feuilles, à l'aide d'une tablette PC, Adobe Illustrator et Photoshop. Cela signifiait enregistrer 21, 110 facettes au total, comme le détaille ce récent article du New York Times.
Grâce aux travaux et à l'analyse d'images d'Andrejevic, « nous pourrions examiner les distributions de tailles de facettes au fur et à mesure que le froissement progressait, " explique Rycroft. Ils ont découvert que les distributions de taille pouvaient s'expliquer par la théorie de la fragmentation, qui regarde comment les objets allant des roches, les éclats de verre et les débris volcaniques se brisent en petits morceaux au fil du temps. (Voici un article récent du Journal of Glaciology qui l'applique aux icebergs.)
"Cette même théorie peut expliquer avec précision comment les facettes de la feuille froissée se brisent au fil du temps à mesure que se forment davantage de plis, " dit Rycroft. " Nous pouvons également l'utiliser pour estimer comment la feuille s'affaiblit après le froissement, et ainsi expliquer comment l'accumulation de kilométrage ralentit. Cela nous permet d'expliquer les résultats de kilométrage - et l'échelle logarithmique - qui ont été observés dans l'étude de 2018. Nous pensons que la théorie de la fragmentation fournit une perspective sur le problème et est particulièrement utile pour modéliser l'accumulation de dommages au fil du temps, " dit Rycroft.
Obtenir des informations sur le froissement est potentiellement très important pour toutes sortes de choses dans le monde moderne. « Si vous utilisez un matériau dans n'importe quelle capacité structurelle, il est essentiel de comprendre ses propriétés de défaillance, " dit Rycroft. " Dans de nombreuses situations, il est important de comprendre comment les matériaux se comporteront sous des charges répétées. Par exemple, les ailes d'avion vibrent de haut en bas des milliers de fois au cours de leur durée de vie. Notre étude du froissement répété peut être considérée comme un système modèle pour la façon dont les matériaux sont endommagés sous une charge répétée. Nous nous attendons à ce que certains éléments de base de notre théorie, sur la façon dont les matériaux sont affaiblis par les fractures/plis au fil du temps, peut avoir des analogues dans d'autres types de matériaux."
Et parfois, froissement pourrait effectivement être utilisé technologiquement. Rycroft note que les feuilles de graphène froissées, par exemple, ont été suggérées comme possibilité de fabriquer des électrodes hautes performances pour les batteries Li-ion. En outre, la théorie du froissement donne un aperçu de toutes sortes de phénomènes, de la façon dont les ailes des insectes se déploient et dont l'ADN s'entasse dans le noyau d'une cellule, comme le note cet article du New York Times de 2018.
Pourquoi certains objets se froissent, au lieu de simplement se séparer en plusieurs petits morceaux ?
"Le papier et autres matériaux qui se froissent sont typiquement flexibles et faciles à plier, donc ils ne risquent pas de casser, " explique Andrejevic. " Cependant, les matériaux durs comme la roche ou le verre ne se plient pas facilement, et se cassent ainsi en réponse à une force de compression. Je dirais que froisser et casser sont des processus bien distincts, mais il y a des similitudes que nous pouvons reconnaître. Par exemple, le froissement et la rupture sont des mécanismes de soulagement des contraintes dans un matériau. L'idée de plis protégeant d'autres régions d'une feuille contre les dommages se réfère à des dommages localisés sur des arêtes très étroites dans la feuille. En réalité, les sommets et crêtes aigus qui se forment lorsqu'une feuille se froisse sont des régions localisées d'étirement dans la feuille, qui sont énergétiquement défavorables. Par conséquent, la tôle minimise ces déformations coûteuses en les confinant dans des régions très étroites, protéger le reste de la feuille autant que possible."
"Les feuilles fines qui se froissent préfèrent se plier plutôt que s'étirer, une observation que l'on peut faire facilement avec une feuille de papier en essayant de la plier ou de l'étirer avec nos mains. En termes d'énergie, cela signifie que la flexion coûte beaucoup moins d'énergie que l'étirement. Lorsqu'une feuille est confinée pour qu'elle ne puisse plus rester à plat, il commencera à se plier pour se conformer au volume changeant. Mais après un certain point, il devient impossible d'emboîter la tôle dans un petit volume par le seul pliage."
Il y a encore beaucoup à apprendre sur le froissement. Par exemple, comme le note Rycroft, il n'est pas clair si différents types de froissement - à l'aide d'un piston cylindrique, par exemple, plutôt que votre main - entraîne un type de pli différent. « Nous aimerions comprendre à quel point nos conclusions sont générales, " il dit.
En outre, les chercheurs veulent en savoir plus sur la mécanique réelle de la formation des plis, et pouvoir prendre des mesures pendant le processus, plutôt que d'examiner simplement le résultat final.
"Pour contourner ce problème, nous développons actuellement une simulation mécanique 3D d'une tôle froissée, qui peut nous permettre d'observer l'ensemble du processus, " Rycroft dit. " Déjà, notre simulation peut créer des motifs de plis similaires à ceux observés dans l'expérience, et cela nous fournit une vue beaucoup plus détaillée du processus de froissement."
Maintenant c'est intéressantComme l'explique Andrejevic, des recherches antérieures sur le froissement montrent en fait que plus une feuille est froissée, plus il résiste à une compression supplémentaire, de sorte qu'il faut de plus en plus de force pour le comprimer. "Cela a été supposé être le résultat de l'alignement des crêtes et agissant comme des piliers structurels qui confèrent à la feuille froissée sa résistance accrue, " elle dit.
