Cela se produit à l'extérieur de votre fenêtre à chaque fois qu'il pleut :le sol devient humide et peut former de la boue collante. Ensuite, il sèche. Plus tard, il pourrait pleuvoir à nouveau. Chaque mouillage et remouillage affecte la structure et la stabilité du sol. Ces changements sont pris en compte lorsque, par exemple, conception d'architectes et d'ingénieurs, placer, et construire des bâtiments. Mais plus largement, la science de la façon dont les particules se collent puis se séparent touche des domaines aussi divers que les risques naturels, fertilisation des cultures, fabrication de ciment, et la conception pharmaceutique.

Unissant ces domaines disparates, une équipe de l'Université de Pennsylvanie a découvert que lorsque les particules sont humides puis séchées, la taille de ces particules a beaucoup à voir avec la force avec laquelle elles collent ensemble et si elles restent ensemble ou se désagrègent la prochaine fois qu'elles sont mouillées.

Ce qui donne à ces agrégats collants la force, l'équipe a trouvé, sont des ponts minces formés lorsque des particules du matériau sont suspendues dans un liquide puis laissées à sécher, laissant de minces brins de particules qui relient de plus gros blocs. Les brins, que les chercheurs appellent des ponts solides, augmenter la stabilité des agrégats de 10 à 100 fois.

Les chercheurs ont rapporté leurs découvertes dans le journal Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Ce phénomène de pontage solide peut être omniprésent et important pour comprendre la force et l'érodabilité des sols naturels, " dit Paulo Arratia, un ingénieur en mécanique des fluides à la Penn's School of Engineering and Applied Science, et co-auteur de l'étude.

"Nous avons découvert que la taille d'une particule peut l'emporter sur la contribution de ses propriétés chimiques lorsqu'il s'agit de déterminer à quel point elle adhère aux autres particules, " ajoute Douglas Jerolmack, un géophysicien à l'École des arts et des sciences et l'auteur correspondant de l'article.

L'équipe de recherche était dirigée par Ali Seiphoori, anciennement post-doctorant dans le laboratoire de Jerolmack et maintenant au MIT, et inclus le postdoctorant en physique Xiao-guang Ma. Les travaux en cours découlent des enquêtes qu'ils avaient menées en collaboration avec la Penn's Perelman School of Medicine sur l'amiante, en particulier comment ses fibres en forme d'aiguille se collent les unes aux autres et à d'autres matériaux pour former des agrégats. Cela les a amenés à réfléchir plus généralement à ce qui détermine la résistance et la stabilité d'un agrégat.

Le groupe a adopté une approche expérimentale pour répondre à cette question en créant un modèle simple d'agrégation de particules. Ils ont suspendu des sphères de verre de deux tailles, 3 microns et 20 microns, dans une goutte d'eau. (Pour référence, un cheveu humain mesure environ 50 à 100 microns de largeur.) Au fur et à mesure que l'eau s'évapore, les bords de la goutte ont reculé, tirant les particules vers l'intérieur. Finalement, la goutte d'eau rétrécissante s'est transformée en plusieurs gouttelettes plus petites reliées par un mince pont d'eau, connu sous le nom de pont capillaire, avant cela aussi évaporé.

L'équipe a découvert que les pressions d'aspiration extrêmes causées par l'évaporation rapprochaient les petites particules si étroitement qu'elles fusionnaient dans les ponts capillaires, laissant des ponts solides entre les plus grosses particules, à laquelle ils se sont également liés, une fois l'eau complètement évaporée.

Lorsque l'équipe réhumidifie les particules, appliquer de l'eau en débit contrôlé, ils ont découvert que les agrégats composés uniquement de particules de 20 microns étaient beaucoup plus faciles à rompre et à remettre en suspension que ceux composés de particules plus petites, ou des mélanges de petites et plus grosses particules.

"Nous avons constaté que si des agrégats composés uniquement de particules de plus de 5 microns étaient remouillés, ils se sont effondrés, " dit Jerolmack. " Mais sous 5 microns, Rien ne se passe, les agrégats étaient stables."

Dans d'autres tests avec des mélanges de particules de quatre tailles différentes - imitant plus étroitement la composition naturelle du sol - les chercheurs ont découvert que le même effet de pontage se produisait à différentes échelles :les plus grosses particules étaient pontées par la deuxième plus grande, qui étaient à leur tour comblés par le troisième plus grand, qui eux-mêmes étaient stabilisés par des ponts des plus petites particules. Même les mélanges qui ne contenaient qu'une petite fraction de particules plus petites sont devenus plus stables grâce au pontage solide.

Combien plus stable? Découvrir, Seiphoori a minutieusement collé la sonde d'un microscope à force atomique à une seule particule, laisse reposer, puis quantifié la « force d'arrachement » nécessaire pour éliminer cette particule de l'agrégat. En répétant cela pour les particules dans des agrégats de grosses et de petites particules, ils ont découvert que les particules étaient 10 à 100 fois plus difficiles à retirer lorsqu'elles avaient formé une structure de pont solide que dans d'autres configurations.

Pour se convaincre qu'il en serait de même avec des matériaux autres que leurs billes de verre expérimentales, ils ont réalisé des expériences similaires en utilisant deux types d'argile qui sont tous deux des composants communs des sols naturels. Les principes retenus :les particules d'argile plus petites et la présence de ponts solides rendaient les agrégats stables. Et l'inverse était également vrai :lorsque des particules d'argile inférieures à 5 microns ont été retirées des suspensions, leurs agrégats résultants ont perdu leur cohésion.

« On pense que les sols argileux sont fondamentalement cohésifs, " dit Jerolmack, "et cette cohésion a généralement été attribuée à leur charge ou à une autre propriété minéralogique. Mais nous avons trouvé cette chose très surprenante que cela ne semble pas être les propriétés fondamentales de l'argile qui la rendent collante, mais plutôt le fait que les particules d'argile ont tendance à être très petites. C'est une toute nouvelle explication de la cohésion."

Ces nouvelles connaissances sur la contribution de la taille des particules à la stabilité des agrégats ouvrent de nouvelles possibilités pour envisager comment améliorer la stabilité des matériaux comme le sol ou le ciment lorsque cela est souhaité. « Vous pourriez envisager de stabiliser les sols avant un projet de construction en ajoutant des particules plus petites qui aident à lier le sol ensemble, " dit Jerolmack.

En outre, la production de divers matériaux, des dispositifs médicaux aux revêtements d'écrans LED, repose sur le dépôt de couches minces, qui, selon les chercheurs, pourraient bénéficier de la production contrôlée d'agrégats qu'ils ont observées dans leurs expériences.