Résumé :
Le brouillage, l'incapacité d'un matériau à s'écouler, est un phénomène omniprésent dans les systèmes de matière molle, notamment les matériaux granulaires, les colloïdes et les tissus biologiques. Comprendre et prévenir les bourrages est crucial pour diverses applications, telles que le flux de produits pharmaceutiques et cosmétiques, la transformation des aliments et la conception de matériaux robotiques souples. Malgré des recherches approfondies, il manque toujours un cadre théorique complet capable de prédire le brouillage et de guider les stratégies pour l’éviter. Ici, nous développons un modèle théorique qui capture les mécanismes microscopiques responsables du blocage dans les matériaux fluides. Notre modèle révèle que le brouillage se produit lorsque la microstructure du matériau développe des réseaux rigides et interconnectés qui empêchent les particules de s'écouler les unes sur les autres. Nous identifions les paramètres clés qui contrôlent la formation de ces réseaux et dérivons des expressions analytiques pour la probabilité de brouillage en fonction de ces paramètres. Notre modèle fournit un outil puissant pour comprendre et prédire le brouillage dans un large éventail de systèmes de matière molle et pour concevoir des stratégies permettant d'éviter le brouillage, telles que l'optimisation de la forme des particules, le contrôle des interactions entre les particules et l'application de champs externes.
Présentation :
Le blocage est un phénomène dans lequel un matériau fluide subit une transition d'un état d'écoulement à un état solide, où le matériau devient incapable de s'écouler. Cette transition s'accompagne souvent d'une augmentation spectaculaire de la viscosité et de l'élasticité du matériau, ce qui rend sa manipulation ou son traitement difficile, voire impossible. Le brouillage est couramment observé dans un large éventail de systèmes de matière molle, notamment les matériaux granulaires, les colloïdes et les tissus biologiques. Comprendre et prévenir les bourrages est crucial pour diverses applications, telles que le flux de produits pharmaceutiques et cosmétiques, la transformation des aliments et la conception de matériaux robotiques souples.
Modèle théorique :
Notre modèle théorique est basé sur le concept de volume libre, qui est l'espace disponible pour que les particules se déplacent dans un matériau. Le brouillage se produit lorsque le volume libre devient trop petit pour permettre aux particules de se réorganiser et de s'écouler les unes sur les autres. Nous calculons le volume libre en considérant le volume exclu des particules et les interactions entre elles. Nous montrons que le volume libre dépend de la forme des particules, des interactions entre les particules et des champs externes appliqués au matériau.
Probabilité de brouillage :
Sur la base de notre calcul du volume libre, nous dérivons des expressions analytiques de la probabilité de brouillage en fonction des paramètres clés qui contrôlent la formation de réseaux rigides et interconnectés. Ces paramètres incluent la fraction volumique des particules, la forme des particules, les interactions inter-particules et les champs externes. Notre modèle prédit que la probabilité de brouillage augmente avec l'augmentation de la fraction volumique des particules, de la forme des particules non sphériques, des interactions inter-particules attrayantes et de l'absence de champs externes.
Stratégies pour éviter le brouillage :
Notre modèle fournit des informations sur la manière d'éviter le blocage des matériaux fluides. En manipulant les paramètres clés qui contrôlent le blocage, il est possible de concevoir des matériaux moins susceptibles de se coincer ou de développer des stratégies pour éviter le blocage des matériaux existants. Par exemple, on peut utiliser des particules avec un rapport d'aspect élevé ou appliquer des champs externes pour réduire la probabilité de brouillage.
Conclusion :
En conclusion, nous avons développé un modèle théorique pour comprendre le blocage dans les matériaux fluides. Notre modèle révèle les mécanismes microscopiques responsables du brouillage et fournit des expressions analytiques de la probabilité de brouillage en fonction de paramètres clés. Ce modèle offre un outil puissant pour prédire le brouillage dans un large éventail de systèmes de matière molle et pour concevoir des stratégies permettant d'éviter le brouillage, ce qui a des implications importantes pour diverses applications industrielles et technologiques.
