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Propagation d'une fissure en allée régulière de croissants. Illustration: ©ESPCI ParisTech
Les craquelures que nous observons sur les pièces en faïence ou porcelaine, les vernis ou encore la boue séchée, sont rectilignes ou légèrement courbées et se rejoignent à angle droit. Elles apparaissent lorsque l'énergie des contraintes de tension accumulées dans la couche mince de surface est assez importante pour provoquer la rupture. Des physiciens du Laboratoire de physique et mécanique des milieux hétérogènes - PMMH (CNRS/ESPCI) et du laboratoire Surface du Verre et Interfaces - SVI (CNRS/Saint-Gobain) en collaboration avec le laboratoire de Physique Non-Linéaire de l'Université de Santiago du Chili (USACH) ont observé un nouveau mode de rupture très différent dans des films fragiles présentant une adhésion modérée avec le substrat. Ces craquelures, qui prennent des formes très variées, apparaissent pour une tension dans le film inférieure au seuil d'apparition des craquelures rectilignes classiques.
Les chercheurs ont montré que ces propriétés sont dues à un décollement du film concomitant à sa rupture. La robustesse des motifs de rupture pourrait permettre d'utiliser ces fissures comme un outil pour produire des micro-objets ou pour structurer les surfaces à petites échelles. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.
Vues microscopiques de la propagation de fissures dans des films adhérant modérément au substrat. Ces motifs résultent du couplage entre la fissuration et le décollement de la couche. Illustration: CNRS/ESPCI/Joël Marthelot
Pour ce travail, les physiciens ont étudié expérimentalement des couches épaisses formées d'un composant utilisé pour des traitements antireflet d'optique laser. La formation de ces couches, par un procédé sol-gel induit des contraintes de tension interne dans la couche de traitement. Lorsque l'adhésion est modérée, les chercheurs ont observé des craquelures inhabituelles pour une contrainte résiduelle inférieure à celle qui conduit habituellement à des craquelures.
La raison est un décollement de la couche mince: la zone dans laquelle la contrainte se relâche est alors bien plus large que lorsque l'adhésion est préservée, ce qui augmente l'énergie disponible pour fracturer le matériau de la couche. Dans ce travail, les chercheurs se sont particulièrement concentrés sur l'analyse d'une géométrie particulière: deux craquelures parallèles se formant de concert.
Pour des épaisseurs de film variant sur quatre ordres de grandeur, la distance entre ces craquelures est approximativement de 25 fois l'épaisseur de la couche, une distance intercraquelures que l'on retrouve aussi lorsque se forment des motifs autorépliquant (spirales et croissants). Les physiciens ont interprété cette valeur comme résultant d'une géométrie de décollement universelle.