Lorsque vous déformez un matériau souple tel que Silly Putty, ses propriétés changent en fonction de la vitesse à laquelle vous l'étirez et le pressez. Si vous laissez le mastic dans un petit verre, il finira par se répandre comme un liquide. Si vous le tirez lentement, il va s'amincir et s'affaisser comme de la tire visqueuse. Et si vous tirez dessus rapidement, le Silly Putty craquera comme un cassant, barre solide.

Les scientifiques utilisent divers instruments pour étirer, presser, et tordez les matériaux souples pour caractériser avec précision leur résistance et leur élasticité. Mais typiquement, ces expériences sont effectuées de manière séquentielle, ce qui peut prendre du temps.

Maintenant, inspiré des séquences sonores utilisées par les chauves-souris et les dauphins en écholocation, Les ingénieurs du MIT ont mis au point une technique qui améliore considérablement la vitesse et la précision de la mesure des propriétés des matériaux mous. La technique peut être utilisée pour tester les propriétés du ciment de séchage, coagulation du sang, ou tout autre matériau mou "mutant" au fur et à mesure qu'ils changent avec le temps. Les chercheurs rapportent leurs résultats dans la revue Examen physique X .

"Cette technique peut aider dans de nombreuses industries, [qui n'auront pas] à changer leurs instruments établis pour obtenir une analyse bien meilleure et précise de leurs processus et matériaux, " dit Bavand Keshavarz, un post-doctorat au département de génie mécanique du MIT.

"Par exemple, ce protocole peut être utilisé pour une large gamme de matériaux souples, de la salive, qui est viscoélastique et filandreuse, à des matériaux aussi rigides que du ciment, " ajoute l'étudiante diplômée Michela Geri. "Ils peuvent tous changer rapidement avec le temps, et il est important de caractériser leurs propriétés rapidement et avec précision."

Geri et Keshavarz sont co-auteurs de l'article, qui comprend également Gareth McKinley, la School of Engineering Professeur d'enseignement de l'innovation et professeur de génie mécanique au MIT; Thibaut Divoux du Laboratoire commun CNRS-MIT; Christian Clasen de la KU Leuven en Belgique; et Dan Curtis de l'Université de Swansea au Pays de Galles.

Vers des mesures plus rapides

La nouvelle technique du groupe améliore et étend le signal de déformation capturé par un instrument appelé rhéomètre. Typiquement, ces instruments sont conçus pour étirer et presser un matériau, aller et retour, sur petites ou grandes souches, en fonction d'un signal envoyé sous forme d'un simple profil oscillant, qui indique au moteur de l'instrument à quelle vitesse ou jusqu'où déformer le matériau. Une fréquence plus élevée déclenche le moteur dans le rhéomètre pour fonctionner plus rapidement, cisailler le matériau plus rapidement, tandis qu'une fréquence plus basse ralentit cette déformation.

D'autres instruments qui testent les matériaux souples fonctionnent avec des signaux d'entrée similaires. Ceux-ci peuvent inclure des systèmes qui pressent et torsadent des matériaux entre deux plaques, ou qui remuent des matériaux dans des conteneurs, à des vitesses et des forces déterminées par le profil de fréquence que les ingénieurs programment dans les moteurs des instruments.

À ce jour, la méthode la plus précise pour tester les matériaux mous a été de faire des tests séquentiellement sur une longue période. Lors de chaque essai, un instrument peut, par exemple, étirer ou cisailler un matériau à une seule basse fréquence, ou oscillation motrice, et enregistrez sa rigidité et son élasticité avant de passer à une autre fréquence. Bien que cette technique donne des mesures précises, la caractérisation complète d'un seul matériau peut prendre des heures.

Un bip sonore

Dans les années récentes, les chercheurs ont cherché à accélérer le processus de test des matériaux souples en modifiant le signal d'entrée des instruments et en compressant le profil de fréquence envoyé aux moteurs.

Les scientifiques se réfèrent à ce plus court, plus rapide, et un profil de fréquence plus complexe en tant que "chirp, " après la structure similaire des fréquences qui sont produites dans les champs radar et sonar - et très largement, dans certaines vocalisations d'oiseaux et de chauves-souris. Le profil chirp accélère considérablement un test expérimental, permettant à un instrument de mesurer en seulement 10 à 20 secondes les propriétés d'un matériau sur une plage de fréquences ou de vitesses qui prendrait traditionnellement environ 45 minutes.

Mais dans l'analyse de ces mesures, les chercheurs ont trouvé des artefacts dans les données des bips normaux, connu sous le nom d'effets de sonnerie, ce qui signifie que les mesures n'étaient pas suffisamment précises :elles semblaient osciller ou « sonner » autour des valeurs attendues ou réelles de la rigidité et de l'élasticité d'un matériau, et ces artefacts semblaient provenir du profil d'amplitude du chirp, qui ressemblait à une montée et une descente rapides des fréquences d'oscillation du moteur.

"C'est comme lorsqu'un athlète fait un sprint de 100 mètres sans s'échauffer, " dit Keshavarz.

Geri, Keshavarz, et leurs collègues ont cherché à optimiser le profil de chirp pour éliminer ces artefacts et donc produire des mesures plus précises, tout en respectant le même court délai de test. Ils ont étudié des signaux de gazouillis similaires dans des radars et des sonars - des domaines initialement développés au MIT Lincoln Laboratory - avec des profils inspirés à l'origine des gazouillis produits par les oiseaux, chauves-souris, et les dauphins.

"Les chauves-souris et les dauphins envoient un signal de gazouillis similaire qui encapsule une gamme de fréquences, afin qu'ils puissent localiser rapidement leurs proies, " dit Geri. " Ils écoutent ce que [les fréquences] leur reviennent et ont développé des moyens de corréler cela avec la distance à l'objet. Et ils doivent le faire très rapidement et avec précision, sinon la proie s'enfuira."

L'équipe a analysé les signaux chirp et optimisé ces profils dans des simulations informatiques, puis appliqué certains profils chirp à leur rhéomètre en laboratoire. Ils ont découvert que le signal qui réduisait le plus l'effet de sonnerie était un profil de fréquence qui était toujours aussi court que le signal chirp conventionnel - environ 14 secondes - mais qui augmentait progressivement, avec une transition plus douce entre les fréquences variables, par rapport aux profils chirp originaux que d'autres chercheurs ont utilisés.

Ils appellent ce nouveau signal de test un « chirp fenêtré de manière optimale, " ou OWCh, pour la forme résultante du profil de fréquence, qui ressemble à une fenêtre bien arrondie plutôt qu'à un pointu, rampe montante et décélération rectangulaire. Finalement, la nouvelle technique commande à un moteur d'étirer et de presser un matériau de manière plus progressive, manière douce.

L'équipe a testé son nouveau profil chirp en laboratoire sur divers liquides et gels viscoélastiques, en commençant par une solution polymère standard de laboratoire qu'ils ont caractérisée en utilisant la méthode traditionnelle, méthode plus lente, le profil chirp conventionnel, et leur nouveau profil OWCh. Ils ont découvert que leur technique produisait des mesures qui correspondaient presque exactement à celles de la méthode précise mais plus lente. Leurs mesures étaient également 100 fois plus précises que ce que la méthode chirp conventionnelle produisait.

Les chercheurs disent que leur technique peut être appliquée à n'importe quel instrument ou appareil existant conçu pour tester des matériaux mous, et cela accélérera considérablement le processus de test expérimental. Ils ont également fourni un progiciel open source que les chercheurs et les ingénieurs peuvent utiliser pour les aider à analyser leurs données, pour caractériser rapidement tout soft, matière évolutive, de la coagulation du sang et du séchage des cosmétiques, pour solidifier le ciment.

"Beaucoup de matériaux dans la nature et l'industrie, dans les produits de consommation et dans notre corps, changer sur des échelles de temps assez rapides, " dit Keshavarz. " Maintenant, nous pouvons surveiller la réponse de ces matériaux à mesure qu'ils changent, sur une large gamme de fréquences, et dans un court laps de temps."