Nouvelle recherche publiée dans Nature Physics détaille la relation entre l'arrangement des particules individuelles d'un matériau désordonné et la façon dont il réagit aux facteurs de stress externes. L'étude a également révélé que ces matériaux ont une "mémoire" qui peut être utilisée pour prédire comment et quand ils couleront. L'étude a été dirigée par Larry Galloway, un Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Paulo Arratia, et Xiaoguang Ma, ancien post-doctorant dans le laboratoire d'Arjun Yodh, en collaboration avec des chercheurs des laboratoires de Douglas Jerolmack et Celia Reina.

Un matériau désordonné est disposé de manière aléatoire à l'échelle des particules, par ex. des atomes ou des grains, au lieu d'être systématiquement distribués - pensez à un tas de sable au lieu d'un mur de briques soigneusement empilé. Les chercheurs du laboratoire d'Arratia étudient cette classe de matériaux dans le cadre du Materials Research Science &Engineering Center de Penn, où l'un des objectifs du programme est de comprendre l'organisation et la prolifération des réarrangements à l'échelle des particules dans des matériaux désordonnés et amorphes.

La question clé de cette étude était de savoir si l'on pouvait observer la structure d'un matériau désordonné et avoir une indication de sa stabilité ou du moment où il pourrait commencer à se désagréger. C'est ce qu'on appelle le point d'élasticité, ou lorsque le matériau « coule » et commence à se déplacer en réponse à des forces externes. "Par exemple, si vous regardez les grains d'un château de sable et comment ils sont disposés, puis-je vous dire si le vent peut le renverser ou s'il faut le frapper fort pour tomber ?" dit Arratia. "Nous voulons savoir, juste en regardant la façon dont les particules sont disposées, si nous pouvons dire quoi que ce soit sur la façon dont elles vont s'écouler ou si elles vont s'écouler du tout."

Bien que l'on sache que la distribution individuelle des particules influence la limite d'élasticité ou le débit dans les matériaux désordonnés, il a été difficile d'étudier ce phénomène car le domaine manque de moyens pour "quantifier" le désordre dans ces matériaux. Pour relever ce défi, les chercheurs ont collaboré avec des collègues de tout le campus afin de combiner leur expertise dans les domaines de l'expérimentation, de la théorie et des simulations.

Pour les expériences, les chercheurs suivent des particules individuelles au-dessus d'une interface liquide-air semblable à ce à quoi ressemble le marc de café flottant au-dessus de l'eau, disent les chercheurs. Ensuite, ils utilisent une aiguille magnétique qui va et vient pour appliquer une force de cisaillement. Avec ce système, les chercheurs sont capables d'appliquer systématiquement des forces à 50 000 particules, de suivre leur mouvement détaillé et d'utiliser une analyse d'image complexe pour voir si, par exemple, deux particules voisines restent côte à côte après l'application d'une force de cisaillement.

L'un des défis de cette étude était de trouver une métrique qui pourrait aider à caractériser le trouble ; pour ce faire, les chercheurs se sont tournés vers un concept connu sous le nom d'excès d'entropie. Bien que cette idée ait déjà été utilisée pour étudier des liquides simples, son application dans ces grands systèmes granulaires - où la température n'influence pas le mouvement des particules - était conceptuellement très nouvelle, explique Galloway. "Nous prenons la thermodynamique et appliquons certains de ses concepts à quelque chose auquel les gens ne pensent généralement pas que la thermodynamique s'applique", dit-il.

Pour aider à relier leurs résultats expérimentaux aux théories de l'entropie en excès, le laboratoire Arratia a travaillé avec des collègues du groupe Reina, qui ont une expertise théorique en thermodynamique hors équilibre, ainsi que des collègues du laboratoire Yodh, qui ont expérimenté des concepts d'entropie en excès pour élucider les systèmes d'équilibre et de non-équilibre. De plus, le groupe de Jerolmack a partagé son expertise dans l'étude du flux de particules pour aider à relier les résultats expérimentaux complexes aux simulations.

L'une des découvertes les plus significatives de cette étude est que les matériaux désordonnés peuvent "se souvenir" des forces qui leur ont été appliquées et que cette mémoire peut être mesurée en examinant les distributions de particules individuelles. "Si vous zoomez et regardez où se trouvent toutes les différentes particules, vous pouvez lire quels souvenirs y sont stockés", explique Galloway.

Les chercheurs ont également découvert que les matériaux désordonnés perdent cette mémoire lorsqu'un seuil de contrainte est dépassé, ce qui se produit au moment même où le matériau atteint sa limite d'élasticité et commence à couler. "Si vous appliquez un peu de stress, le matériau s'en souviendra et reviendra à son état d'origine", explique Arratia. "Mais si vous commencez à cisailler avec plus de force, il commence à perdre sa mémoire. C'est exactement là que nous constatons que le matériau cède et commence à couler, et que le stress critique est lié à la perte de mémoire."

Alors que le concept de mémoire dans les matériaux désordonnés était connu depuis un certain temps, la forte corrélation observée dans leurs résultats entre la distribution des particules, le flux et la mémoire a surpris les chercheurs. À l'avenir, ils prévoient de s'appuyer sur ces travaux en étudiant d'autres tailles et types de particules, des recherches qui pourraient aider à déterminer à quel point ce concept est universel et comment leurs résultats sont liés à la thermodynamique et à l'excès d'entropie plus largement.

Arratia ajoute qu'avec un si large éventail de systèmes qui agissent comme des matériaux désordonnés, des flancs de colline érodés risquant de provoquer des glissements de terrain aux organismes vivants tels que les biofilms, les implications possibles pour les domaines au-delà de la thermodynamique sont nombreuses. "J'espère que ce travail deviendra quelque chose que nous pourrons appliquer à des systèmes différents et disparates comme la peau, les coulées de boue, les biofilms et bien d'autres choses qui sont désordonnées et qui coulent également", déclare Arratia. + Explorer plus loin

L'étude décrit comment les forces externes entraînent le réarrangement des particules individuelles dans les solides désordonnés