Des scientifiques de l'Université métropolitaine de Tokyo ont étudié la résistance et la ténacité de colonnes de sable constituées d'un mélange de grains collants et non collants. Ils ont découvert le mécanisme derrière la façon dont la résistance change lorsque les grains sont mélangés dans des proportions différentes, et comment un mélange peut aider à maintenir la colonne plus résiliente à la déformation. Les grains non collants sont également facilement remplaçables par d'autres matériaux, permettant la conception d'une matière plus solide, plus résistante et plus fonctionnelle.
La matière granulaire est constituée d'un grand nombre de petits grains, comme du sable et des poudres. Ces grains peuvent être amenés à adhérer les uns aux autres, donnant ainsi des matériaux solides comme le béton. Mais la force ne fait pas tout. Les matériaux solides peuvent être cassants et se fissurer facilement lorsqu’ils sont déformés. La conception scientifique de matériaux qui sont non seulement plus solides, mais également plus résistants, continue de constituer un défi pour les scientifiques des matériaux.
Une équipe de l'Université métropolitaine de Tokyo dirigée par le professeur Rei Kurita a étudié les propriétés mécaniques des colonnes de sable, un modèle simple mais puissant pour la matière granulaire. Au lieu de se concentrer sur des grains qui collent tous les uns aux autres, ils ont étudié des mélanges de sable normal non collant et de sable « cinétique », des grains enrobés d'huile de silicone qui peuvent coller les uns aux autres. La recherche est publiée dans la revue Communications Physics .
Bien que la mécanique des « grains attrayants » soit relativement bien comprise, cela ne peut pas être dit pour les matériaux où l'adhésivité n'apparaît que dans un sous-ensemble de grains.
Lorsqu'ils ont fabriqué des colonnes avec différentes proportions de grains collants, ils ont constaté que la résistance de la colonne, caractérisée par son degré de déformation lorsqu'elle est soumise à une charge, présente un changement graduel caractéristique.
Lorsque la proportion de sable collant atteint 60 %, la résistance passe soudainement à une valeur plus élevée. Un sable plus collant n'entraîne pas d'augmentation supplémentaire.
Grâce à des simulations informatiques d’une configuration similaire, ils ont découvert que c’était exactement à ce moment-là que les grains collants formaient un réseau rigide qui s’étendait à travers l’échantillon. Il convient de les distinguer des grains collants qui se connectent simplement à travers l'échantillon ; les lignes de grains collants, par exemple, peuvent facilement se déformer lorsque les extrémités sont rapprochées. Ce n'est que lorsqu'il y a suffisamment de connexions entre les grains que les grains collants peuvent supporter un poids.
Cependant, contrairement aux matériaux résistants typiques, ces colonnes partiellement collantes présentent un comportement unique lorsqu'elles sont soumises à des charges plus importantes. Lorsque la colonne se déforme, elle ne se fissure pas; au contraire, ils changent de forme :les connexions entre les grains collants ne sont pas simplement détruites mais sont capables de se réorganiser et de se reformer. Cela rend les colonnes non seulement solides, mais aussi résistantes.
L'équipe note que puisque plus de 60 % des grains collants ne modifient pas la résistance, les 40 % restants peuvent être facilement remplacés par n'importe quel autre matériau, par exemple un matériau doté de propriétés antibactériennes. Cette caractéristique de conception contre-intuitive ouvre la voie à des matériaux composites qui sont non seulement plus solides et plus résistants, mais aussi fonctionnels.
Plus d'informations : Honoka Fujio et al, Mécanismes de durabilité et de déformabilité de type gel dans les systèmes granulaires humides, Physique des communications (2024). DOI :10.1038/s42005-023-01518-0
Informations sur le journal : Physique des communications
Fourni par l'Université métropolitaine de Tokyo
