Déterminer les caractéristiques mécaniques des matériaux mous en s'inspirant des chauves-souris
Publié par Redbran le 10/12/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
Un signal modulé en fréquence et en amplitude, semblable au signal ultrasonore émis par les chauves-souris ou les dauphins, a permis à des chercheurs de mesurer de manière précise et rapide le spectre viscoélastique de matériaux mous.

La plupart des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) qui nous entourent comme la mayonnaise, le ketchup, la mousse à raser ou encore les crèmes cosmétiques ne sont ni tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), ni tout à fait solide, mais présentent un comportement intermédiaire qualifié de viscoélastique. En effet, selon les échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et les conditions sous lesquelles on les examine, ces matériaux peuvent supporter 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...) et garder leur forme comme le ferait un solide élastique ou, au contraire, s'écouler à la manière d'un liquide visqueux. Ce comportement viscoélastique est caractérisé par un spectre de type complexe dont la partie réelle quantifie la réponse élastique du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...), et la partie imaginaire la réponse visqueuse.


Le graphe principal montre le spectre viscoélastique d'une solution de 8.5 % de PIB (Polyisobuthylène) dans de l'hexadécane, i.e. la dépendance des modules élastique (G') et visqueux (G''') en fonction de la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) . Les courbes noires correspondent au spectre mesuré point (Graphie) à point en 45 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...) sur la gamme de fréquence 0.1 à 100 rad/s. Les courbes en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) carmin correspondent au spectre mesuré en 14 secondes par une impulsion modulée en fréquence entre 0.3 et 30 rad/s. Enfin, les courbes vertes correspondent au même spectre mesuré en 14 secondes par une impulsion modulée en fréquence et en amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) (modulation par une fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) dite de Tukey avec un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) r=0.1). Pour ce dernier cas, l'impulsion de déformation utilisée et la réponse en contrainte de la solution de polymères sont représentées à gauche. Pour les trois expériences, l'amplitude de la déformation oscillante imposée vaut 6 %.

Jusqu'à présent, la mesure d'un tel spectre viscoélastique se faisait en sondant la réponse 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...) du matériau étudié pour une série de fréquences discrètes. Cette méthode, qui consiste à imposer une déformation oscillante de faible amplitude pour chaque fréquence considérée, présente deux inconvénients majeurs: elle est extrêmement lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) et conduit en général à imposer une déformation totale qui peut excéder le domaine de réponse linéaire du matériau. Elle est notamment inadaptée à l'étude des matériaux viscoélastiques dont les propriétés évoluent au cours du temps, comme c'est le cas pour de nombreux matériaux mous qui se gélifient, se solidifient ou sèchent.

L'utilisation d'une courte impulsion de déformation oscillante, dont la fréquence est modulée au cours du temps, offre une alternative efficace pour sonder sur un temps court le spectre viscoélastique d'un matériau dont les propriétés sont instables dans le temps. Cette méthode dite de rhéologie par transformée de Fourier (En analyse, la transformation de Fourier est un analogue de la théorie des séries de Fourier pour les fonctions non périodiques, et permet de leur associer un spectre en fréquences. On...) avait d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour les 8 gestionnaires du secteurs mixte en région...) et déjà permis à une équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) grenobloise de suivre l'évolution du spectre viscoélastique d'une solution de polymère lors de sa gélification, mais au prix de spectres de mauvaise qualité. Cette imprécision qui résulte de la forme rectangulaire de l'enveloppe de l'impulsion utilisée, peut être notablement réduite en modulant astucieusement l'amplitude de l'impulsion.

C'est en s'inspirant directement des signaux ultrasonores émis les chauves-souris pour détecter leurs proies dont la fréquence et l'amplitude sont modulés au cours du temps, qu'un collectif international de chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), du MIT, de 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...) de Louvain (Belgique) et de Swansea (Pays de Galles) a déterminé les conditions optimales pour l'obtention rapide d'un spectre viscoélastique. En réalisant une série d'expériences sur des matériaux modèles, ces chercheurs ont amélioré le rapport signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes...) sur bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) de plusieurs ordres de grandeurs et ainsi déterminé la forme optimale de l'enveloppe de l'impulsion oscillante conduisant au spectre viscoélastique le moins bruité possible.

Cette nouvelle méthode, publiée dans Physical Review X, offre la possibilité de suivre l'évolution temporelle des propriétés viscoélastiques de matériaux mous avec une précision et une rapidité inégalée, ouvrant de nouvelles perspectives pour les études expérimentales et numériques de ces matériaux d'utilisation courante. De plus, une interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) Matlab disponible gratuitement sur simple demande à l'adresse (Les adresses forment une notion importante en communication, elles permettent à une entité de s'adresser à une autre parmi un ensemble d'entités. Pour qu'il n'y ait pas d'ambiguïté,...) owch@mit.edu permet de calculer les paramètres optimaux de l'impulsion oscillante à fournir au rhéomètre, offrant ainsi la possibilité d'adapter cette technique à chaque utilisateur suivant ses besoins.

Référence publication:
Time-resolved mechanical spectroscopy of soft materials via optimally windowed chirps
M. Geri, B. Keshavarz, T. Divoux, C. Clasen, D.J. Curtis et G.H. McKinley
Physical Review X (2018), doi:10.1103/PhysRevX.8.041042
Lire l'article scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) sur la base d'archives ouvertes ArXiv

Contact chercheur:
Thibaut Divoux, chargé de recherche au CNRS

Informations complémentaires:
- Centre de recherche Paul Pascal (CRPP, CNRS/Université de Bordeaux)
- Multiscale material science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris,...) for energy and environment (MSE, CNRS/MIT/AMU)
- MIT (États-Unis)
- Université de Leuven (Belgique)
- Université de Swansea (Pays de Galle)
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