Des chercheurs de l'Université de Tokyo rapportent que l'entropie structurelle à deux corps est la grandeur clé pour comprendre la dynamique des liquides surfondus cisaillés ainsi que le mécanisme à l'origine du phénomène d'amincissement par cisaillement.

Liquides surfondus

Les liquides sont l'état de la matière le moins bien compris. Étant intermédiaire entre les gaz et les solides, leur comportement est un mélange imprévisible des deux. Les liquides vitreux sont particulièrement inhabituels, qui peuvent être refroidis en dessous de leur point de congélation sans cristalliser. De tels liquides surfondus deviennent visqueux avec une diminution de la température, et finissent par devenir des solides vitreux (verres) en dessous de la température de transition vitreuse. Nous voyons ce genre de comportement dans le processus de soufflage du verre.

Maintenant, dans un article publié dans PNAS , deux chercheurs de l'Institut des sciences industrielles (IIS) de l'Université de Tokyo ont révélé de nouvelles informations sur le comportement des liquides surfondus amenés à s'écouler par cisaillement.

Liquides surfondus cisaillés

Initialement, comme un liquide surfondu est amené à s'écouler par cisaillement ("tirage"), sa viscosité reste inchangée. Mais comme le liquide est fait pour s'écouler plus vite, la viscosité commence étonnamment à diminuer et il devient plus facile pour le liquide de s'écouler (c'est-à-dire qu'il devient moins gluant). Ce phénomène est appelé amincissement par cisaillement, et c'est un procédé important sur le plan industriel, comme lorsque deux surfaces lubrifiées glissent facilement l'une contre l'autre. Malgré des décennies de recherche et de grands efforts de la part de nombreux chercheurs, le mécanisme de l'amincissement par cisaillement reste inconnu.

Les chercheurs d'IIS ont utilisé des simulations informatiques de cartes graphiques (GPU) pour simuler plusieurs modèles informatiques de liquides surfondus lorsqu'ils ont été amenés à s'écouler par cisaillement. Le liquide surfondu cisaillé ne s'écoule pas seulement plus facilement; les arrangements des molécules sont également modifiés avec l'augmentation du débit (également appelée structure du liquide). Ces faits rendent les liquides surfondus cisaillés difficiles à décrire en utilisant des théories fondamentales. Les chercheurs d'IIS ont plutôt utilisé l'entropie pour décrire la dynamique des liquides surfondus cisaillés. L'entropie est une mesure de l'ordre d'un système; un cristal a tendance à être plus ordonné qu'un liquide et donc à avoir une entropie plus faible.

"En considérant l'arrangement des molécules sous cisaillement, nous pourrions relier le comportement des liquides surfondus sous cisaillement à un concept fondamental en physique, à savoir l'entropie; ou plus précisément, l'entropie structurelle à deux corps, ", déclare le co-auteur Trond S. Ingebrigtsen. "En outre, comme l'entropie à deux corps peut être calculée facilement expérimentalement, nos résultats peuvent être vérifiés non seulement par des simulations informatiques. Les tentatives précédentes d'utilisation de l'entropie à deux corps se sont heurtées à des problèmes tels que le changement dans l'arrangement des molécules sous cisaillement, ou anisotropie structurale, n'a pas été pris en compte."

Comme un liquide est fait pour s'écouler plus rapidement sous cisaillement, l'arrangement des molécules doit s'adapter à la nouvelle situation, et induisent ce qu'on appelle une anisotropie structurelle dans le liquide. Cela signifie que, par exemple, la structure mesurée par rapport au sens d'écoulement s'avérera différente et influencera les propriétés du système dans son ensemble.

"En modifiant l'entropie à deux corps pour prendre en compte ces changements structurels se produisant sous cisaillement, nous avons pu décrire la dynamique cisaillée en utilisant le comportement du liquide sans cisaillement. Nous avons constaté que l'entropie à deux corps calculée le long de l'axe dit d'extension de l'écoulement était la quantité clé pour décrire la dynamique de cisaillement. L'entropie à deux corps dans les autres directions pourrait être ignorée en toute sécurité, " Ingebrigtsen dit. " Intuitivement, la structure le long de la direction d'extension est importante car le flux de cisaillement dans cette direction s'ouvre pour plus d'espace et les molécules peuvent s'échapper plus facilement."

Les simulations informatiques n'ont pas découvert le mécanisme complet derrière l'amincissement par cisaillement, mais découvrir la corrélation entre la dynamique cisaillée et l'entropie structurelle à deux corps a fourni de nouvelles informations sur les changements structurels pertinents pour comprendre le phénomène de l'amincissement par cisaillement.

« Nous avons été très heureux que tous nos modèles de liquides simulés aient donné des résultats aussi clairs, car ils ont été choisis pour couvrir une très large gamme de liquides modèles particulièrement pertinents pour les expériences, ", explique le co-auteur Hajime Tanaka. "Maintenant, le défi est de comprendre plus en détail le mécanisme microscopique derrière ces observations pour bien comprendre le mécanisme derrière l'amincissement par cisaillement. Nous restons très positifs à cet égard."