Observation expérimentale d'un effet thermoélastique dans un liquide

Publié par Redbran le 12/11/2020 à 13:00
Source: CEA IRAMIS
La thermoélasticité décrit la variation des propriétés élastiques d'un corps solide en fonction de sa température. Pour un fluide incompressible, les coefficients thermoélastiques, dilatation isobare et compressibilité isotherme, sont en pratique nuls. Pour être non nuls, il est nécessaire que des interactions à longue portée soient présentes, mais ceci est a priori exclu de par la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) même de l'état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.).


Une équipe du LLB vient cependant de mettre en évidence des propriétés thermoélastiques pour un liquide dans des conditions usuelles 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.). Ils observent qu'un liquide ordinaire présente une modulation de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) sous l'application d'une contrainte 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 cisaillement à basse fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) (Hz): le liquide se divise en bandes thermiques chaudes et froides, de plusieurs dixièmes de microns de large et variant de manière synchrone avec la déformation. Ce couplage thermomécanique ainsi mis en évidence est une preuve que le liquide ne dissipe pas totalement l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de l'onde (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 matière.) de cisaillement, mais en convertit adiabatiquement (i.e. sans échange avec l'extérieur) une partie en états thermodynamiques locaux. Ceci est en accord avec de nouveaux modèles théoriques, pour lesquels les liquides ont des propriétés élastiques non-extensives qui s'étendent jusqu'à l'échelle de plusieurs dizaines de microns*.

En outre, la transformation quasi-instantanée de l'énergie de déformation, sous la forme d'une modulation locale de température, implique que les fluctuations (thermiques) de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) sont corrélées à longue distance. Le couplage thermomécanique ainsi mis en évidence a des implications directes pour l'étude des liquides physiologiques. Il pourrait également permettre de réaliser de nouveaux convertisseurs de température, en particulier en microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de l'ordre du micromètre.).

En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...), selon le modèle bien établi de Maxwell, l'absence de résistance mécanique à une déformation en cisaillement indique un comportement liquide. En revanche, la résistance au cisaillement est propre à l'état solide. Elle s'exprime par le module de cisaillement G, rapport entre la contrainte de cisaillement appliquée (σ) et la déformation (γ): σ = G.γ. Reliant déformation et température, un coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de...) thermoélastique non nul indique un état de type solide (Fig.1).

La thermoélasticité fait partie des propriétés de l'état solide. Elle couple la déformation d'un corps élastique (solide) à sa température (Fig.1). Une telle propriété dans les liquides est un changement de paradigme qui nécessite des interactions collectives à longue portée, qui ne sont pas prises en compte dans les théories actuelles. En effet, les modèles hydrodynamiques et viscoélastiques postulent que pour des excitations de fréquence inférieure à la fréquence propre de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) (typiquement ω 9-1012 Hz pour les liquides simples), les liquides sont en régime d'écoulement hydrodynamique [1,2].


Figure 1: Pour accéder aux propriétés physiques d'un matériau, une méthode générale est d'observer sa fonction de réponse à une contrainte externe. Ici, un liquide, confiné entre deux plaques se déplaçant à basse fréquence (~ Hz) parallèlement l'une par rapport à l'autre, est soumis à une déformation mécanique de cisaillement. On observe sa réponse dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) en accédant à la température instantanée en chaque point (Graphie) de l'entrefer. A gauche, l'image thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...) du liquide est visualisée à l'équilibre dans le plan de l'entrefer (xOz): image thermique renormalisée 63 x 13 pixels du glycérol (Le glycérol ou la glycérine (C3H8O3) est un polyol. Son nom officiel est le propan-1,2,3-triol (ou 1,2,3-propanetriol). C'est un triol, il possède 3 fonctions alcool.) à température ambiante.

La présente étude mésoscopique révèle cependant que l'énergie fournie par l'action mécanique de cisaillement à basse fréquence (~ 1 Hz) n'est pas dissipée dans des conditions hydrodynamiques mais est convertie en signaux thermiques modulés (Fig. 2): le liquide se découpe en bandes thermiques chaudes et froides d'une dizaine de microns de large, variant de façon synchrone avec l'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 sans transporter...) de cisaillement. La variation de température s'amplifie avec la déformation appliqué (atteignant +/- 0,2°c à grandes déformations) [3]. Ceci montre que les liquides (ordinaires) sont dotés de propriétés thermoélastiques. Ces changements thermiques dynamiques fonctionnent de manière adiabatique (En thermodynamique, une transformation est dite adiabatique (du grec adiabatos, « qui ne peut être traversé ») si elle est effectuée sans...), ce qui soutient également l'hypothèse d'un mécanisme élastique.


Figure 2: En appliquant un déformation mécanique basse fréquence (~ Hz) en cisaillement (ici la surface inférieure est animée d'un déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En...) oscillant sinusoïdal tandis que la supérieure est fixe), on observe qu'un liquide émet un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux...) thermique modulé synchrone avec le stimulus. Les figures a) et b) (représentation 3D) sont une cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la...) en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel (2 cycles) de la variation de température du polypropylène (Le polypropylène (ou polypropène) isotactique, de sigle PP (ou PPi) et de formule chimique (-CH2-CH(CH3)-)n, est un polymère thermoplastique semi-cristallin de grande consommation.) glycol (PPG-4000) dans un entrefer de 240 µm lors d'une déformation en cisaillement (fréquence ω = 0,5 rad/s, amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) γ = 4000 %). Le trait en pointillé est un guide pour l'oeil pour la déformation (mesures à température ambiante sur substrat d'alumine).

Ce résultat expérimental s'oppose au concept selon lequel les molécules liquides sont libres à basses fréquences (modèle de Frenkel "Kinetic Theory of Liquids", pierre d'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) à la physique des liquides [1]) et l'énergie dissipée dans les fluctuations thermiques. Mais il est en adéquation avec des développements expérimentaux récents montrant qu'à l'échelle mésoscopique (jusqu'à plusieurs centaines de microns), les fluides présentent une réponse élastique au cisaillement, c'est à dire des corrélations élastiques à longue portée [4,5]. Ces corrélations sont inexistantes dans les modèles conventionnels. Cependant, et indépendamment de nos résultats, des théoriciens ont repris le calcul de Frenkel à l'origine du modèle viscoélastique (de Maxwell), et montrent que la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) des liquides est en fait inachevée. Comme un solide, un liquide peut supporter des ondes de cisaillement de basses fréquences sur des échelles de plusieurs microns (modèle k-gap) [6]. Ila été récemment montré, par une simple analyse dimensionnelle (L'analyse dimensionnelle est le domaine (restreint) de la physique qui concerne les unités des grandeurs. Notamment, le fait que les unités soient arbitraires fait que toute équation valable...) que cette réponse élastique au cisaillement doit varier comme 1/e3, où e est la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus...) de l'entrefer [7].

L'élasticité liquide désormais avérée rend possible l'identification de nouvelles propriétés mésoscopiques des liquides, importantes en microfluidique et pour les circuits de liquides physiologiques.

Note:
* Tel que "les modèles k-gap", où les modes acoustiques présentent un gap dans l'espace réciproque (En physique, on utilise souvent des espaces abstraits pour caractériser les phénomènes, ce sont des espaces des phases.).

Références:
[1] “Kinetic Theory of Liquids” J. Frenkel Oxford University Press, Oxford, 1946.
[2] “Viscoelastic Properties of Polymers” J.D. Ferry, John Wiley & Sons, 1980.
[3] “Strain-induced violation of temperature uniformity in mesoscale liquids”
E. Kume, P. Baroni, L. Noirez,Sci. Rep. 10 13340 (2020).
[4] “Solid-like rheological response of non-entangled polymers in the molten state”
H. Mendil, P. Baroni, L. Noirez, The European Physical Journal E 19 77 (2006) Focus point.
[5] “Revealing the solid-like nature of glycerol at ambient temperature”,
L. Noirez, P. Baroni, J. Mol. Struct. 972 16 (2010)
[6] “Gapped momentum states”
M. Baggioli; M. Vasin; V. Brazhkin, K. Trachenko, Physics Reports, 865 1 (2020).
[7] “Explaining the low-frequency shear elasticity of confined liquids”
A. Zaccone, K. Trachenko, Proceedings of the National Academy of Sciences. 117, 19653 (2020).

Contact:
CEA-IRAMIS: Laurence Noirez (LLB/NFMQ).

Ce travail est un des résultats de thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du...) de Eni Kume (LLB/NFMQ).
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