Comment vieillissent les pâtes et les suspensions colloïdales

Publié par Adrien le 31/03/2020 à 09:00
Source: CNRS INSIS
Une équipe du laboratoire Navier, en collaboration avec l'université du Delaware (Etats-Unis), a identifié un nouveau processus responsable du vieillissement des suspensions colloïdales au repos: la rigidification progressive des contacts entre les particules en 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. ...). Ces résultats, qui ouvrent la voie à un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du vieillissement (La notion de vieillissement décrit une ou plusieurs modifications fonctionnelles diminuant progressivement l'aptitude d'un objet, d'une information ou d'un organisme...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou...) de ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) dans de multiples applications, sont publiés dans la revue Nature Materials.


Assemblage de particules soumis à une flexion avec des pinces optiques: observation et reconstitution tridimensionnelle.
© Francesco Bonacci

L'argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de minéraux spécifiques, silicates en général d'aluminium plus ou moins hydratés, qui...), le ciment (Le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) est une matière pulvérulente, formant avec l’eau ou avec une solution saline une pâte plastique liante, capable...) frais, mais aussi de nombreux matériaux dans les industries chimiques, agroalimentaires, pharmaceutiques et cosmétiques, se présentent sous la forme de pâtes ou de suspensions denses de particules de tailles inférieures à quelques microns (colloïdes).

Le vieillissement mécanique de ces matériaux au repos, qui se traduit par une augmentation de leur module élastique, est habituellement expliqué par une réorganisation de l'arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) géométrique de leurs constituants. Or, une équipe du laboratoire Navier (CNRS/Ecole des Ponts-Université Gustave Eiffel), en collaboration avec l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) du Delaware (Etats-Unis), a montré que le vieillissement peut être observé en l'absence de toute modification de la microstructure. Dans ce cas un autre processus explique le vieillissement mécanique des pâtes au repos: la rigidification progressive des contacts entre les particules de la suspension colloïdale. Pour le mettre en évidence, les chercheurs ont combiné des essais de rhéométrie, des observations en 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...) confocale et des tests mécaniques à l'échelle des particules en utilisant des pinces optiques.

Des mesures effectuées pour une suspension dense de particules de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la composition de nombreux minéraux ; sa formule est SiO2.) (de tailles comprises entre 0,5 à 1,9 micromètres) ont montré que son module de cisaillement augmente de manière quasi-logarithmique au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), alors que sa structure géométrique reste figée. Par ailleurs, à l'aide de pinces optiques, des tests de flexion ont été réalisés sur des assemblages de particules formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur...) des bâtonnets. Résultat: la rigidité en flexion des contacts entre particules croit elle-aussi de manière quasi-logarithmique, sur la même échelle de temps. Ces observations ont conduit les scientifiques à attribuer le vieillissement de la suspension à la rigidification progressive des contacts entre les particules. Des résultats similaires ayant été obtenus avec des suspensions de particules de PMMA, ce processus de vieillissement par contact semble donc générique dans les suspensions denses, et pourrait concerner toute une série de matériaux d'intérêt pratiques, comme les ciments au jeune âge (avant la prise), les sédiments, la céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre qui ont subi une...), les boues d'épuration, les résidus miniers, etc. A terme, il serait donc possible de régler le vieillissement mécanique des matériaux dont on contrôle la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés...) en adaptant la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) de 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...) des particules ou encore de mieux prédire le comportement de matériaux naturels.

Dans le prolongement de ces résultats, l'équipe du laboratoire Navier veut maintenant s'intéresser aux mécanismes à l'origine de cette rigidification progressive des contacts entre particules. Elle va aussi explorer d'autres propriétés mécaniques de ces suspensions, telle la plasticité. Enfin, le processus observé va faire l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) d'une simulation discrète, avec l'ambition d'établir un modèle prédictif du processus de vieillissement.

Référence
Contact and macroscopic ageing in colloidal suspensions,
F. Bonacci, X. Chateau, E. M. Furst, J. Fusier, J. Goyon and A. Lemaître.
Nature Materials (2020)
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0624-9.
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