Le sable est un matériau fascinant. Il peut couler et être versé comme un liquide, mais conserve de nombreuses propriétés des solides, obstruer les tuyaux ou former des dunes de sable. Le comportement des collections de petites particules comme le sable est connu sous le nom de physique granulaire, et est un domaine extrêmement important pour la manipulation et le transport de la large gamme de matériaux granulaires comme les grains, riz, poudres et les grandes quantités de sable utilisées dans l'industrie de la construction.

Une énigme clé de cette branche de la physique est le simple nombre impliqué. Les grains interagissent via simple, mécanique newtonienne, mais parce que tant de particules interagissent à la fois, il y a une complexité émergente du comportement de l'écoulement qui ne peut pas encore être expliquée par des équations simples. Les scientifiques ne recherchent donc pas seulement de meilleurs modèles théoriques pour expliquer le comportement granulaire, mais des "systèmes modèles" pratiques qui peuvent être manipulés et réglés en laboratoire pour donner un aperçu de la façon dont la structure microscopique des matériaux granulaires donne naissance à leurs propriétés macroscopiques.

Une équipe dirigée par la professeure adjointe Marie Tani et la professeure Rei Kurita de l'Université métropolitaine de Tokyo a étudié les propriétés de mélanges de "sable magique" enduit de silicone, " un jouet populaire pour les enfants, et du sable normal. Les particules de sable recouvertes de silicone interagissent uniquement entre elles et non avec d'autres particules de sable. L'équipe a découvert que l'ajout de sable enrobé de silicone au-delà d'un certain seuil entraîne un changement brutal du regroupement et de la rigidité, un moyen potentiel d'ajuster le flux de matériaux granulaires pour l'industrie.

Les chercheurs ont étudié ce qui arrive au sable lorsqu'il est mouillé. Il est bien connu que le sable des plages, par exemple, se comporte complètement différemment; les châteaux de sable sont difficiles à construire lorsque le sable est sec. Ce comportement est en grande partie dû à la formation de « ponts » de liquide entre les particules, appelés ponts capillaires, attachant fortement les grains ensemble pour former des structures porteuses. Cependant, le sable humide homogène est notoirement difficile à préparer en laboratoire; il est difficile de mélanger uniformément et sèche très rapidement.

Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont utilisé du "sable magique, " particules de sable hydrophobes enrobées d'huile de silicone, couramment disponibles dans les jouets pour enfants. L'équipe a découvert que non seulement les grains de "sable magique" s'attirent fortement les uns les autres via de minces brins de pétrole, mais il n'interagit pas avec le sable normal, le heurtant simplement comme des grains secs. En mélangeant du "sable magique" et du sable normal dans des proportions différentes, l'équipe a pu étudier librement le comportement du sable humide jusqu'aux plus petites fractions liquides, où seuls certains grains sont connectés via des ponts capillaires.

En utilisant trois méthodes indépendantes impliquant le tamisage, mesurer la densité et former des monticules de sable stables, ils ont constaté que les propriétés mécaniques du mélange changent radicalement lorsque la fraction de sable magique par rapport au sable normal dépasse 20 %. Cela concorde avec les conclusions de la théorie de la percolation, qui régit la façon dont les connexions entre les particules traversent l'espace sans aucune rupture, laisser le mélange de sable se comporter de manière beaucoup plus solide et supporter son propre poids. Ce comportement est connu pour les gels polymères, et aide à unifier les approches théoriques appliquées à des matériaux complètement différents.

Les mélanges de l'équipe présentent également des propriétés mécaniques qui peuvent être facilement modifiées. Surtout, la méthode fournit une nouvelle, pratique, manière précise et informative d'explorer la physique granulaire, et peut devenir la nouvelle valeur par défaut pour les scientifiques dans les futures enquêtes.