Comprendre la dynamique des matériaux granulaires, tels que le sable s'écoulant dans un sablier ou le sel versé dans un shaker, est un problème majeur non résolu en physique. Un nouvel article décrit un modèle expliquant comment des événements de "tremblement" de la taille d'un enregistrement affectent la dynamique d'un matériau granulaire lorsqu'il passe d'un état excité à un état détendu, ajoutant à la preuve qu'une théorie unificatrice sous-tend ce comportement.

Les Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ) a publié l'ouvrage de Stefan Boettcher, un physicien théoricien Emory, et Paula Gago, un expert en modélisation de la mécanique statistique de la matière granulaire au Département des sciences et de l'ingénierie de la Terre à l'Imperial College de Londres.

"Notre travail marque un nouveau petit pas en avant pour décrire le comportement des matériaux granulaires de manière uniforme, " dit Boettcher, professeur et président du département de physique d'Emory.

"Une compréhension complète des matériaux granulaires pourrait avoir un impact énorme sur un éventail d'industries, " ajoute-t-il. " Pour ne citer que quelques exemples, il est pertinent pour le compactage de granulés en granulés pour fabriquer des pilules, le traitement des grains en agriculture et de prédire les comportements de toutes sortes de matières géophysiques impliquées dans le génie civil.

Les matériaux granulaires sont des systèmes désordonnés souvent trouvés dans un état loin de l'équilibre. Les exemples incluent tout, du sable, du marc de riz et de café aux roulements à billes.

« Ce sont en quelque sorte les « boules impaires » de la matière parce qu'elles se comportent différemment des solides, liquides et gaz, " dit Boettcher.

Alors que les phases de l'eau, par exemple, peut facilement être décrit comme un liquide, solide ou gazeux, en fonction des températures spécifiques, la thermodynamique des systèmes hors équilibre n'est pas bien définie. Une complication majeure est le fait que les particules individuelles dans la plupart des matériaux granulaires ont des propriétés différentes, propriétés distinctes et exercent des forces de friction les unes sur les autres. Et les changements de température ne produisent pas de mouvement significatif en eux. La gravité complique encore le comportement des matériaux granulaires, car il affecte la densité des différentes couches dans un système de particules.

En 1997, les chercheurs ont mis au point un moyen de secouer les matériaux granulaires de manière contrôlable pour une série d'expériences sur ce qu'on appelle le « tas de Chicago ». Ils ont rempli un bécher en verre de billes de verre de la taille d'un micron et ont "tapoté" le matériau vers le haut avec une amplitude spécifique. Ils ont ensuite pu mesurer la densité résultante de la matière dans le bécher en fonction de la résistance des robinets, ou l'énergie pulsée à travers le système.

Boettcher et son collaborateur voulaient acquérir une compréhension au niveau moléculaire de la dynamique de compactage d'un tas granulaire grâce à l'analyse de simulations informatiques. Ils étaient particulièrement intéressés par la comparaison de la densité d'un tas granulaire à la fois dans un état excité et détendu pour rechercher des motifs.

Inspiré des expériences de pieux de Chicago, les chercheurs ont effectué des simulations informatiques basées sur 60, 000 sphères, de 1 à 1,02 micromètres de diamètre, contenu dans un cylindre vertical de 2,4 centimètres de diamètre. Le cylindre est taraudé par des impulsions d'énergie accordées à des amplitudes précises. La technologie permet aux chercheurs de mesurer la densité de la pile localement et globalement en suivant le nombre changeant de particules voisines que chaque particule individuelle touche.

Les simulations ont montré que lorsqu'une série de tarauds a exactement la même force, la densité du tas augmente de plus en plus lentement, ou logarithmiquement. Comme les robinets continuent au fil du temps, toujours plus grand, des changements de taille record dans la disposition des grains sont nécessaires pour augmenter la densité du tas. Ces fluctuations record sont de plus en plus difficiles à atteindre, expliquant la lenteur des gains de densité.

"Vous pouvez le voir comme un bécher rempli de sable meuble, " explique Boettcher. " Au début, il y a de gros trous entre les grains. Donc au départ, il est facile pour un grain de changer de position en tombant dans un espace vide. Mais comme ces espaces commencent à devenir plus petits, il devient moins probable qu'un grain puisse tomber à travers un. Alors que les robinets continuent, il faut des événements de plus en plus coopératifs pour créer l'espace nécessaire à plus de compactage."

Des recherches antérieures ont montré un schéma statistique similaire pour le comportement des solides amorphes qui ne forment pas de cristaux ordonnés lors du passage d'un état liquide à un état solide, comme le verre et de nombreux polymères.

"Cela suggère que ce modèle peut être une pièce du puzzle pour trouver un moyen systématique de décrire les matériaux qui sont hors d'équilibre, " dit Boettcher.

Les chercheurs approfondissent maintenant la question de savoir si l'énergie cinétique des robinets peut être équivalente à la façon dont la température est utilisée pour décrire les matériaux en physique classique.