On trouve partout des systèmes granulaires comme du gravier ou des poudres, mais les étudier n'est pas facile. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont maintenant développé une méthode permettant de prendre des photos de l'intérieur des systèmes granulaires dix mille fois plus rapidement qu'auparavant.

Même dans notre monde moderne plein de machines et d'appareils hautement technologiques, il est encore impossible de prédire quand des éboulements, comme celle récente des Grisons, ou des tremblements de terre se produiront et comment ils évoluent exactement. Cela s'explique en partie par le fait qu'en dépit de nombreuses années de recherche, les scientifiques commencent tout juste à comprendre le comportement du gravier et du sable, en particulier lorsqu'il est mélangé avec de l'eau ou des gaz.

Une équipe de chercheurs dirigée par Christoph Müller au Département de génie mécanique et des procédés de l'EPF de Zurich et Klaas Prüssmann à l'Institut de génie biomédical de l'EPF et de l'Université de Zurich, avec des collègues de l'Université d'Osaka au Japon, ont maintenant développé une nouvelle technique qui pourrait rendre beaucoup plus facile l'étude de tels phénomènes à l'avenir. De nombreux phénomènes naturels et catastrophes naturelles pourraient ainsi être mieux compris et prédits plus facilement.

Poudres et grains dans l'industrie chimique

Les systèmes granulaires - un terme générique pour tout ce qui ressemble à des grains ou des poudres - jouent un rôle central non seulement dans la nature. Ils sont tout aussi importants dans les applications pratiques, comme l'industrie chimique, où les trois quarts des matières premières sont des substances granulaires. Un problème fréquent de l'industrie chimique est que les flux de production peuvent être interrompus, par exemple, par blocage ou démixtion imprévu et mal compris des matériaux granulaires utilisés.

"Même une petite augmentation de l'efficacité des processus de production grâce à une meilleure connaissance permettrait d'économiser beaucoup d'énergie", explique Alexander Penn, un doctorant dans le groupe de Müller et Prüssmann. Cependant, en essayant de comprendre ce qui se passe, par exemple, lorsque différentes particules sont mélangées ou amenées à interagir avec des gaz dans des lits dits fluidisés, on est confronté à un grave problème :les systèmes granulaires sont opaques, ce qui rend très difficile d'apprendre quoi que ce soit sur la distribution spatiale exacte et le mouvement des particules.

La technologie médicale facilite les études de systèmes granulaires

Pour surmonter cet obstacle, les scientifiques ont réintroduit une technologie dans la recherche en physique qui, de nos jours, est principalement utilisé en médecine :imagerie par résonance magnétique (IRM), ce qui est bien connu pour le tube étroit dans lequel les patients doivent entrer pour être examinés. L'imagerie par résonance magnétique utilise des ondes radio et des champs magnétiques puissants pour aligner d'abord les moments magnétiques de certains noyaux atomiques à l'intérieur d'un tissu ou d'un matériau (ceux-ci peuvent être visualisés comme de minuscules aiguilles de boussole).

Après, les noyaux atomiques perdent leur alignement, et ce faisant, ils émettent eux-mêmes des ondes radio mesurables. Finalement, les résultats de ces mesures sont utilisés pour créer une image tridimensionnelle des positions des noyaux atomiques dans le matériau. Dans leurs nouvelles expériences, récemment publié dans la revue scientifique Avancées scientifiques , les chercheurs de l'ETH ont ajouté un certain nombre d'antennes radio à un appareil d'IRM commercial et analysé les mesures à l'aide d'un logiciel spécial. Cela leur a permis de mesurer la dynamique interne des systèmes granulaires dix mille fois plus rapidement qu'auparavant.

Dans ce but, les scientifiques ont développé des particules spéciales constituées d'une gouttelette d'huile recouverte de gélose mesurant un millimètre de diamètre qui a produit un signal de résonance magnétique particulièrement important et soutenu. Ils les ont utilisés, entre autres choses, étudier ce qui se passe lorsqu'un gaz circule dans des systèmes granulaires. Le flux de gaz provoque le milieu granulaire, qui est généralement solide, se comporter comme un fluide. Dans de tels systèmes granulaires « fluidisés », des bulles de gaz peuvent s'élever, diviser ou fusionner.

Jusqu'à maintenant, il était impossible d'étudier de telles bulles en temps réel. La nouvelle technique de mesure développée par les scientifiques zurichois permet de photographier l'intérieur de la matière granulaire avec une résolution temporelle inférieure au centième de seconde. De plus, une analyse intelligente des signaux de résonance magnétique permet de mesurer les vitesses des particules individuelles et, Donc, pour obtenir des informations supplémentaires sur la dynamique de ces systèmes complexes.

Applications en capture de carbone

Il existe de nombreuses applications possibles des connaissances acquises grâce à la nouvelle technique. Les chercheurs prévoient, par exemple, tester soigneusement les modèles théoriques existants pour les systèmes granulaires et, Où il faut, pour les améliorer. Parmi les modèles à tester figurent la démixtion spontanée de mélanges granulaires de particules de tailles différentes, ce qui peut conduire à des problèmes dans les applications industrielles, ainsi que le "brouillage" spontané des systèmes en écoulement. Formation de bulles dans les systèmes granulaires exposés aux flux gazeux, d'autre part, est important pour les procédures dans lesquelles un gaz est censé réagir aussi fortement que possible avec les particules de catalyseur. De telles procédures sont utilisées, par exemple, dans la capture du dioxyde de carbone, qui à l'avenir pourraient être utilisés pour lutter contre le changement climatique. Une meilleure compréhension des processus physiques impliqués pourrait conduire à une plus grande efficacité et à des économies d'énergie considérables.