Les matériaux granulaires comme le sable possèdent de nombreuses propriétés intéressantes. Dans les matériaux granulaires fabriqués en laboratoire, les scientifiques ont jusqu'à présent pu affiner leurs propriétés d'écoulement « liquide », mais les propriétés de compressibilité « solide » sont restées plutôt robustes.

Des chercheurs de l'Université d'Amsterdam et de Santiago au Chili ont réussi à concevoir de nouveaux matériaux granulaires qui peuvent également être facilement compressés, un résultat qui pourrait avoir un grand potentiel dans des applications telles que l'amortissement des chocs.

On en trouve partout sur les côtes du Japon :des tétrapodes, d'énormes blocs de béton à quatre pattes qui empêchent l'érosion des structures côtières. Ensemble, ces tétrapodes forment un métamatériau granulaire :un matériau granulaire comme le sable, mais conçu et fabriqué par les humains. Les tétrapodes ont leur forme pour une bonne raison. Les jambes allongées rendent très difficile l’écoulement d’un tas de ces blocs. Contrairement aux rochers ordinaires, ils restent à leur place et font ainsi ce pour quoi ils sont destinés :empêcher le littoral de changer.

L'exemple des tétrapodes montre qu'il est relativement facile de réaliser un système granulaire presque incompressible et bien moins fluide que le sable. À l'autre extrémité du spectre, il s'est avéré très difficile de créer un matériau facile à comprimer et qui s'écoule mieux que le sable.

Grâce aux travaux des chercheurs d'Amsterdam et de Santiago, publiés dans les Actes de l'Académie nationale des sciences cette semaine, cette situation a changé, ouvrant des opportunités très intéressantes.

Daan Haver, premier auteur de la publication, explique :« Dans le domaine des métamatériaux, nous construisons la géométrie d'un matériau de telle manière que le matériau ait la réponse souhaitée. Par exemple, nous nous attendons normalement à ce qu'une bande élastique devienne plus fine lorsque on l'étire.

"Dans des travaux antérieurs, les chercheurs ont montré des moyens de fabriquer des matériaux qui deviennent plus fins non pas lorsqu'ils sont étirés mais lorsqu'ils sont compressés, uniquement en fonction de la géométrie du matériau. Cet exemple montre qu'il est possible d'ajuster les propriétés de votre matériau. Nous nous demandions si nous pourrions utiliser cette idée pour affiner également les matériaux granulaires."

En laboratoire, les chercheurs ont fabriqué des grains qui rétrécissent radialement lorsqu’il y a une pression externe. Cela signifie que lorsqu'un paquet de ces grains est comprimé, la quantité d'espace libre entre les grains reste à peu près la même et, par conséquent, le comportement d'écoulement des grains reste similaire à celui d'un liquide.

Haver déclare :« Les forces à l'intérieur du milieu restent faibles. Par conséquent, le garnissage est non seulement très compressible mais peut également mieux s'écouler. Nous mettons les grains dans un entonnoir. Normalement, les grains forment un arc obstruant. Cependant, lorsque les grains rétrécissent par rapport à la taille de l'ouverture, les grains finiront par s'écouler.

"On a toujours pensé que les matériaux granulaires seraient difficiles à comprimer et que les modifications apportées aux grains détérioreraient leurs propriétés d'écoulement. Avec nos nouveaux grains, nous avons ouvert une voie dans laquelle nous pouvons créer des garnissages totalement différents, faciles à comprimer et qui s'écoulent toujours facilement. ."

Amortissement des chocs

Les nouveaux résultats pourraient avoir un grand potentiel d’amortissement des chocs. Les chercheurs ont montré qu'un disque métallique, lorsqu'il est jeté dans un emballage de nouveaux grains, ralentit sur une longue période et rebondit à peine. L'énergie du mouvement du disque est ainsi transférée de manière plus cohérente et homogène à la garniture.

Haver dit :« Imaginez, au lieu d'un disque métallique, quelqu'un tombant dans une course de patinage de vitesse. L'impact sur le patineur lorsqu'il heurte le mur serait faible si les nouveaux grains étaient utilisés à l'intérieur du coussin. ne sera pas rebondi sur la piste, ce qui rendra la situation plus sûre pour toutes les personnes impliquées."