Dentifrice, crèmes pour le visage, gel pour les cheveux, la mayonnaise et le ketchup sont des articles ménagers auxquels la plupart des gens n'hésitent pas, mais en termes de comportement d'écoulement, ils ont des propriétés inhabituelles. Ce sont tous des matériaux élasto-visco-plastiques (EVP), qui se comportent comme des solides au repos, mais peut céder à l'écoulement comme des liquides lorsqu'il est soumis à un stress suffisant. Malgré leur omniprésence, la capacité de modéliser et de prédire leur comportement repose sur une théorie qui n'a été démontrée que sous certaines conditions.

Des scientifiques de l'unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) et du Laboratoire de mécanique des fluides et de rhéologie de l'Université de Patras ont révélé des informations sur ces matériaux en combinant des expériences avec des simulations. Leurs recherches, Publié dans PNAS , suggère que l'élasticité des matériaux à l'état solide est une propriété clé qui devrait être incluse dans les futurs modèles.

"Au cours de la dernière décennie, les progrès des expériences de microfluidique ont révélé de nombreux phénomènes inattendus dans l'écoulement des matériaux EVP, " a déclaré le professeur John Tsamopoulos, de l'Université de Patras. "Les exemples incluent les formes cuspidées des bulles dans les gels et la perte de symétrie dans l'écoulement. Ces observations et d'autres ont laissé entendre que quelque chose manquait à la théorie existante. Des recherches antérieures dans notre laboratoire ont suggéré que l'élasticité, la capacité de la microstructure du matériau à se déformer avant de céder, était la partie manquante du puzzle."

Professeur Amy Shen, qui dirige l'Unité OIST, mentionné, « Même lorsque les articles ménagers de base sont mis de côté, avoir une compréhension fondamentale de la façon dont les matériaux EVP circulent est très utile, en particulier en sciences biomédicales et en géophysique." Par exemple, elle a expliqué, le sang est un matériau EVP - il se comporte comme un solide au repos, mais coule comme un liquide dans les artères. Quoi de plus, elle a ajouté, certains tissus et échafaudages imprimés en 3D peuvent avoir des propriétés EVP, et, côté géophysique, la lave volcanique se comporte comme un matériau EVP bien qu'à une échelle beaucoup plus grande.

Des recherches expérimentales antérieures sur les matériaux EVP ont mesuré leur comportement sous écoulement de cisaillement, obtenu lorsque des couches de fluide glissent les unes sur les autres. Mais, en ce qui concerne la transformation industrielle et les utilisations de ces matériaux, telles que le filage de fibres et l'impression de circuits imprimés, c'est souvent le flux d'extension - lorsque le fluide est étiré - qui est le plus important.

L'étude des écoulements purement extensionnels est un grand défi en dynamique des fluides expérimentale, et le flux d'extension des matériaux EVP n'a jamais été mesuré avec succès dans des expériences auparavant. Pour y parvenir pour la première fois, Dr Simon Haward, le chef de groupe de l'Unité Micro/Bio/Nanofluidique, a utilisé un nouvel appareil microfluidique connu sous le nom de géométrie à fentes croisées. L'appareil comprenait quatre canaux qui étaient tous à angle droit les uns par rapport aux autres.

"À l'intérieur de la géométrie des fentes croisées, nous avons utilisé une solution Pluronic, un matériel EVP bien connu, " a déclaré le Dr Haward. " Lorsque nous avons mis la pression sur les deux canaux entrants, qui étaient situés en face l'un de l'autre, la solution était poussée vers le point central et elle sortait des deux autres canaux. Le flux résultant a un point au centre où la vitesse va à zéro. Dans les deux canaux sortants, nous avons généré un écoulement d'extension où le fluide a été étiré."

Pendant ce temps, Le professeur Yannis Dimakopoulos et des chercheurs de l'Université de Patras ont créé un modèle théorique et simulé l'écoulement de deux matériaux EVP :la solution Pluronic et un autre matériau appelé Carbopol. Ils ont montré que des motifs complexes apparaissaient dans le flux, qui comprenait la présence de régions solidifiées entourées par l'état liquide. Leurs résultats correspondaient aux expériences réalisées à l'OIST.

"Ce modèle peut décrire des matériaux EVP simples en cisaillement, écoulements étendus et mixtes. Bien que nous nous soyons concentrés uniquement sur deux matériaux, il pourrait être utilisé sur une grande variété avec différents niveaux d'élasticité, plasticité, viscosité, et autres propriétés, " dit Stelios Varchanis, un doctorat candidat à l'Université de Patras et premier auteur de l'article. "Cela rend le modèle approprié pour simuler les flux lors de la conception et de l'optimisation de divers processus industriels."

Cette recherche suggère que la théorie existante doit être révisée pour inclure l'élasticité du matériau. "Selon la quantité de déformation que le matériau EVP peut supporter avant de céder, il se comportera soit d'une manière proche de ce qui est prédit par la théorie existante, soit se comportera plus comme un solide élastique fluide, " dit Stélios.

"Les expériences à l'OIST ont complété les simulations, " a déclaré le Dr Cameron Hopkins, de l'Unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'OIST. « Même si la solution Pluronic que nous avons étudiée ne présente que de faibles effets élastiques, une petite asymétrie a été observée dans l'écoulement indiquant un écart par rapport au comportement purement fluide, l'élasticité ne peut donc pas être négligée. Nos expériences ont fortement soutenu la modification proposée de la théorie. »

Cette recherche a également impliqué le Dr Alexandros Syrakos de l'Université de Patras.