Comment structurer une suspension à grande échelle en la faisant s'écouler
Publié par Redbran le 02/09/2019 à 14:00
Source: CNRS INP

© LPENSL (CNRS/ENS Lyon/Univ. Lyon 1)
En suspension dans un fluide en écoulement, des particules qui s'attirent fortement peuvent se regrouper en cylindres régulièrement espacés. Des physiciens montrent ici le caractère universel de ces structures et déterminent leurs conditions d'apparition, ouvrant la voie à l'utilisation de ce phénomène pour la fabrication de structures anisotropes à l'échelle micrométrique.

Les suspensions de particules fines dispersées au sein d'un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans...) comme de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ou de l'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas...) jouent un rôle prépondérant dans de nombreux produits courants tels que les encres, peintures, batteries, produits cosmétiques, pharmaceutiques et agro-alimentaires. Si le cas de particules qui n'interagissent qu'à travers une répulsion est bien compris, il n'en est pas de même de particules qui s'attirent les unes les autres, via des interactions électrostatiques ou via des effets de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) osmotique. Des particules qui s'attirent ont tendance à former des agrégats, modifiant ainsi les propriétés d'écoulement de la suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. Le fait de suspendre un...), et pouvant conduire à des structurations spatiales spectaculaires au sein de l'écoulement (figure 1). En collaboration avec des collègues du Massachusetts Institute of Technology, des chercheurs du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) de l'ENS de Lyon (LPENSL, CNRS/ENS Lyon/Univ. Lyon 1) ont caractérisé par le biais d'expériences et de simulations numériques un tel effet de structuration communément observé et resté à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le...) sans explication. Ils ont démontré que, de façon remarquable, l'origine de cet effet est purement hydrodynamique, indépendant de la forme, de la taille ou de la composition des particules et de l'origine de leurs interactions attractives (Pour des particules de taille colloïdale, les interactions attractives sont définies par leur portée et la profondeur du puits de potentiel énergétique...). Ces résultats offrent une nouvelle méthode pour contrôler l'organisation (Une organisation est) spatiale d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de particules en suspension, ce qui pourrait faciliter la synthèse de nombreux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) composites.

Il est bien connu que les suspensions de particules attractives sont très sensibles aux écoulements. Ceux-ci peuvent en effet facilement perturber la structure des agrégats et donc les propriétés de la suspension comme sa viscosité. Ce couplage entre un écoulement et l'arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) spatial des particules au sein d'une suspension est à l'origine d'un phénomène remarquable découvert il y a une quinzaine d'années: lorsqu'une suspension de particules attractives est confinée entre deux plaques parallèles et que l'une des deux plaques est mise en mouvement pour créer un écoulement de cisaillement, la suspension s'organise spontanément pour former un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un...) régulier d'agrégats cylindriques alignés perpendiculairement à la direction de l'écoulement. Ces agrégats cylindriques sont entraînés en rotation sur eux-mêmes et roulent dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) de l'écoulement. Les physiciens ont montré que diverses suspensions attractives présentaient le même effet de structuration: quelle que soit leur taille ou l'origine de leur attraction, les agrégats initialement présents dans la suspension déclenchent la formation de tourbillons régulièrement espacés dans l'écoulement selon un mécanisme d'instabilité qui fixe la 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...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) du motif. Les agrégats s'accumulent alors au centre de ces tourbillons pour former de longs rouleaux cylindriques (figure 2). La stabilité de ces rouleaux et notamment la vitesse (On distingue :) d'écoulement critique au-dessus de laquelle ils ne peuvent plus se former résultent d'un équilibre subtil entre attraction et friction visqueuse, ce que les chercheurs ont pu confirmer indirectement par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à...) de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) atomique.

Ces résultats sur la structuration de suspensions attractives par un écoulement pourraient permettre de fabriquer des structures anisotropes à l'échelle du micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) et de viser des applications à l'électronique flexible, aux nanocomposites, à l'impression 3D ou encore aux batteries de type flux-redox.


Figure 1. Série d'images montrant la formation d'un motif d'agrégats cylindriques régulièrement espacés dans une suspension attractive de particules de polyamide de diamètre 20 microns sous écoulement de cisaillement. La direction de l'écoulement est horizontale. g est la déformation appliquée qui correspond au temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'application du cisaillement perpendiculairement au plan des images. © LPENSL (CNRS/ENS Lyon/Univ. Lyon 1)


Figure 2. Structuration d'une suspension attractive de billes de verre de diamètre 12 microns sous écoulement de cisaillement. La direction de la vitesse d'écoulement est horizontale. En haut, expérience (à gauche) et simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition...) (à droite) en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de dessus. En bas: schéma en vue de côté. © LPENSL (CNRS/ENS Lyon/Univ. Lyon 1)

Référence:
Hydrodynamics control shear-induced pattern formation in attractive suspensions, Zsigmond Varga, Vincent Grenard, Stefano Pecorario, Nicolas Taberlet, Vincent Dolique, Sébastien Manneville, Thibaut Divoux, Gareth H. McKinley et James W. Swan, PNAS, le 4 juin 2019. DOI:10.1073/pnas.1901370116.

Contact chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de...):
Sébastien Manneville
Professeur à l'ENS de Lyon, Laboratoire de physique de l'ENS de Lyon
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