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Posté par Redbran le Lundi 23/04/2018 à 12:00
Des chaînes pour stabiliser les tas de grains
La fragilité proverbiale des châteaux de sable illustre bien la grande instabilité des tas de grains. Certaines interactions physiques peuvent aider à les stabiliser, mais sans véritablement les fixer. Des chercheurs de l’université de Mons, des laboratoires Gulliver, Loma et PMMH ont cependant utilisé des chaînes de grains pour obtenir des tas indéfiniment stables. Ces travaux, qui simulent le comportement des polymères, ont fait la couverture de la revue Physical Review Letters.


© Pascal Daman, université de Mons
Poids en équilibre déposés à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) d’un empilement de chaînes granulaires (gauche) et d’un milieu granulaire composé de billes, c’est-à-dire de « monomères » (droite)

Particulièrement instables, les tas de grains s’effondrent généralement très vite sous leur propre poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de...) pour former un cône. Si différents phénomènes attractifs peuvent partiellement les stabiliser, comme les interactions capillaires et les forces de Van der Waals ou électrostatiques, leur effet reste limité. Des chercheurs de l’université belge de Mons, du laboratoire Gulliver (CNRS/ESPCI Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite...) - Université PSL), du Laboratoire ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) et matière d’Aquitaine (LOMA, CNRS/Université de Bordeaux) et du laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) et mécanique des milieux hétérogènes (PMMH, CNRS/ESPCI Paris/Université Paris Diderot/Sorbonne Université), ont cependant produit des tas de grains indéfiniment stables. L’astuce consiste à connecter ces derniers entre eux en des chaînes de grains.

Les chercheurs ont lancé deux séries d’expériences. Dans la première, chaque empilement était composé de chaînes de même longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...), qui changeait pour chaque tas. Plus les chaînes sont longues, plus le système est stable. Dans la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...) phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :), les chaînes étaient mélangées à des grains isolés, à des concentrations différentes: une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre...) qui mime la dilution (La dilution est un procédé consistant à obtenir une solution finale de concentration inférieure que celle de départ, soit par ajout de solvant, soit par prélèvement d'une partie de la solution et en...) d’un polymère dans un solvant. Dans les deux cas, les chercheurs ont montré que les liaisons entre les grains d’une chaîne donnée produisent des contraintes pour les autres chaînes. Cela enclenche un mécanisme de frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) autoamplifié, qui aboutit à des points de verrouillage particulièrement résistants à la déformation.

Cette surprenante robustesse des tas de grains permet non seulement de simuler le comportement de polymères denses à l’échelle macroscopique, mais également d’imaginer de nouveaux matériaux comme des textiles, des fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) biologiques ou des matériaux de construction.


© Pascal Daman, université de Mons
Photographies montrant les états finaux d’assemblages de chaînes granulaires denses après l'enlèvement de leur conteneur (Dans le domaine du transport, un container (de l'anglais), parfois francisé en conteneur, est un caisson métallique, en forme de parallélépipède, conçu pour le transport de...) cylindrique pour différents nombres de billes par chaîne indiqué dans le coin supérieur gauche de chaque photographie.


Enlèvement d’un conteneur cylindrique rempli de billes, c’est-à-dire de « monomères ». Le milieu granulaire s'effondre après l'enlèvement du conteneur.


Enlèvement d’un conteneur cylindrique rempli de chaînes granulaires. Après l'enlèvement du conteneur, l’assemblage de chaînes est capable de conserver sa forme cylindrique.

Références publication:
Emergent Strain-Stiening in Interlocked Granular Chains
D. Dumont, M. Houze, P. Rambach, T. Salez, S. Patinet, and P. Damman
Phys. Rev. Lett. 120, 088001 (2018)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.088001

Contact chercheur:
Sylvain PatinetPMMH

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Source: CNRS-INSIS