Quand un verre tombe par terre et se brise, la taille des fragments varie de grande à extrêmement petite. Pour le verre brisé d'un abribus, l'histoire est différente :tous les fragments ont à peu près la même taille. Chercheurs de l'Université d'Amsterdam, Unilever Vlaardingen et l'EPFL Lausanne ont étudié le phénomène de rupture, et a découvert que deux processus très différents provoquent les deux types de fragments. Les résultats ont été publiés dans Communication Nature cette semaine.

L'exception à la règle

Le constat qu'il existe des fragments de toutes tailles, s'avère valable pour toutes sortes de processus de rupture et de fragmentation typiques. Cependant, il y a des exceptions :pensez aux abribus cassés, où tous les fragments de verre ont plus ou moins la même taille. Cette différence n'est pas une coïncidence - elle s'avère être une pièce importante du puzzle qui conduit à une explication de la façon dont les objets normaux se brisent en morceaux.

Stefan Kooij, Gérard van Dalen, Jean-François Molinari et Daniel Bonn ont investigué le processus de fragmentation, et découvert qu'il existe deux manières très différentes de rompre. Le comportement particulier du verre dans les abribus est dû au fait que ce verre a été traité d'une manière particulière, ce qui fait que le verre a des contraintes internes. Ces contraintes conduisent finalement à la similitude des fragments.

Pour étudier le processus qui se déroule dans le verre des abribus, les chercheurs ont étudié un type de verre similaire :la « goutte de Prince Rupert », également connu sous le nom de « larme hollandaise ». Ces gouttelettes de verre (voir l'image de gauche ci-dessus pour un exemple) sont fabriquées en faisant couler du verre fondu dans de l'eau froide. Parce que le verre se solidifie d'abord à l'extérieur et seulement plus tard à l'intérieur, le faisant rétrécir un peu, des contraintes importantes se développent à l'intérieur de la goutte, comparables à celles en verre d'abribus. Sur Internet, de nombreuses vidéos présentent les propriétés particulières des gouttes :elles résistent aux coups de marteau, mais se brisent en d'innombrables morceaux lorsque la « queue » de la goutte est pincée.

Hiérarchique et aléatoire

En utilisant plusieurs techniques, y compris l'utilisation de tomodensitogrammes pour mesurer près de 22, 000 tailles de fragments d'une goutte de Prince Rupert—les chercheurs ont étudié les différents processus de fragmentation. En comparant la rupture des gouttes de Prince Rupert à la fragmentation d'autres matériaux, ils ont pu en déduire qu'il existe deux types de processus de fragmentation, qu'ils appelaient hiérarchique et aléatoire.

Lorsque vous laissez tomber un verre ordinaire sur le sol, le processus qui se produit est hiérarchique. L'énergie contenue dans le mouvement du verre est beaucoup plus grande que ce qui est nécessaire pour forcer une seule fracture. Pour se débarrasser de toute énergie cinétique, de plus en plus de fractures se développent à l'intérieur du verre. Le processus est hiérarchique - il va de fissures de plus en plus larges à des fissures de plus en plus petites - et aboutit au fait qu'en fin de compte, il n'y a pas de taille de fragment caractéristique.

De loin, la plupart des situations de rupture d'objets sont de ce type hiérarchique. L'exception survient lorsque l'énergie pour casser l'objet ne vient pas de l'extérieur, mais est le résultat de contraintes internes, comme c'est le cas dans le verre des abribus et les gouttes de Prince Rupert. Dans ce cas, la formation des fractures ne se fait pas de grande à petite, mais d'une manière complètement aléatoire, où la « division » des fissures dépend des contraintes internes. Par conséquent, les fragments dans ce cas ont une taille spécifique, déterminé par l'amplitude de la contrainte interne dans le matériau.

Le fait que ces deux types de fragmentation existent n'est pas seulement une curiosité intéressante; les résultats de la recherche peuvent également conduire à des applications pratiques utiles. Ici, on peut penser à développer un meilleur verre de sécurité pour les vitres des voitures, mais aussi de la production de médicaments, dans lequel la taille de fragmentation joue un rôle important dans le taux d'absorption du médicament par le corps.