Lucio Isa et son équipe de chercheurs ont expliqué comment les caractéristiques de surface des microsphères affectent les augmentations rapides de la viscosité des suspensions, jetant ainsi les bases d'applications telles que le ciment fluide.

Internet regorge de vidéos de personnes s'amusant à courir sur de la boue blanche. On dirait presque qu'ils marchent sur l'eau. Mais quand ils s'arrêtent, ils commencent lentement à couler. La boue en question est généralement une suspension concentrée comprenant de la fécule de maïs et de l'eau. Bien que familièrement connu sous le nom de "oobleck" d'après le livre pour enfants du Dr Seuss, les scientifiques des matériaux utilisent le terme « fluide non newtonien ». Contrairement à un fluide "normal" (newtonien), les fluides non newtoniens peuvent devenir plus visqueux lorsqu'ils sont sollicités par un grand force changeant rapidement. Pendant un bref instant, le matériau se comporte comme un solide. Cependant, si la force est constante et faible, le matériau s'écoule comme un liquide normal.

"Ce phénomène apparaît dans toutes les suspensions à haute densité de particules, comme le ciment, " dit Lucio Isa, Professeur d'Interfaces, Matière molle et assemblage à l'ETH Zurich. Si le ciment est pompé trop rapidement dans un tuyau sur un chantier de construction, le tuyau se bouchera.

Frottement plus élevé en raison des surfaces rugueuses

Ceci est en partie dû aux caractéristiques de surface des particules solides dans la suspension. "Si une force est appliquée soudainement, les particules solides sont incapables de s'écarter assez rapidement. Au lieu, ils entrent en contact, frottant et se bloquant les uns contre les autres", explique Isa. Plus la surface des particules est rugueuse, plus le frottement est élevé.

Les chercheurs utilisent ces propriétés pour contrôler l'augmentation soudaine de la viscosité dans une suspension dense de manière ciblée. Au lieu de la fécule de maïs, Isa et ses collègues ont "joué" avec l'uniforme, particules de silicate micrométriques à surface rugueuse. Les particules ressemblent à de minuscules framboises et avaient déjà été utilisées par les chercheurs dans des études antérieures. Chiao Peng Hsu, un doctorant travaillant sous la direction d'Isa et du professeur de l'ETH Nicholas Spencer, a développé une méthode qui lui permet de générer rapidement une bibliothèque de ces particules en forme de framboise avec différentes rugosités de surface.

Viscosité plus élevée malgré moins de particules

Les chercheurs ont utilisé ces particules pour créer des suspensions qu'ils pourraient tester pour des augmentations soudaines de viscosité sous contrainte. Les résultats ont montré que plus les particules sont rugueuses, le moins a dû être ajouté à la suspension pour obtenir une solidification soudaine. En revanche, si des particules lisses ont été utilisées, une plus grande quantité a dû être ajoutée à la suspension avant que les chercheurs puissent observer l'épaississement soudain.

Les chercheurs ont montré que l'utilisation de particules rugueuses pouvait économiser de la matière :leur part du volume total dans une suspension peut être sensiblement plus faible afin de générer le même effet.

Lorsque les chercheurs ont mélangé des particules rugueuses et lisses dans une seule suspension, la solidification s'est également produite plus tôt que dans les suspensions avec des particules exclusivement lisses. Les chercheurs de l'ETH ont découvert qu'à peine 6 % de particules lisses dans un mélange suffisaient à réduire considérablement l'augmentation de la viscosité. "C'est comme mélanger des roulements à billes et des roues dentées, " dit Isa. " Les roues dentées se relient relativement facilement pour créer une chaîne stable, mais les roulements à billes brisent facilement ces chaînes et permettent l'écoulement. "

Afin de rechercher le frottement entre les particules individuelles, Hsu et son collègue Shivaprakash Ramakrishna ont attaché un seul, particule d'un demi-micromètre sur un cantilever d'un microscope à force atomique. Les chercheurs ont ensuite déplacé la particule sur diverses surfaces rugueuses du modèle en déplaçant le porte-à-faux de quelques centaines de nanomètres tout en mesurant l'angle d'inclinaison. Plus le frottement est fort, plus l'angle est grand. "Travailler avec ce genre de particule sur un cantilever était extrêmement difficile, puisque les dimensions sont incroyablement petites, " souligne Hsu. "Nous avons été le premier groupe à accomplir cela."

Applications dans les gilets pare-balles

Reste à voir si les résultats seront intégrés dans des applications réelles. L'étude est avant tout une recherche pure. "Notre objectif était d'étudier les façons dont nous pouvons modifier les nano et microstructures afin d'influencer le comportement des matériaux à un niveau macroscopique, et nous avons réussi, " dit Isa. Les résultats pourraient être utilisés dans des applications quotidiennes telles que le ciment. " En ajustant les surfaces des granulés et en les mélangeant au ciment d'une manière similaire à notre expérience, on pourrait optimiser les caractéristiques d'écoulement du ciment."

Mais les suspensions visqueuses aux propriétés de solidification brutale sont également utilisées à d'autres fins; par exemple, un fabricant américain utilise des suspensions visqueuses pour développer des gilets de sécurité pare-balles et coups de couteau. "Notre étude peut aider à améliorer ce genre d'applications, " dit Isa.