Tout dépend de la rugosité

Sur Internet, on trouve des vidéos dans lesquelles des personnes s'amusent à courir sur de la boue blanche. On dirait presque qu'ils peuvent marcher sur l'eau. Mais si les personnes s'arrêtent, elles s'enfoncent lentement. La boue est généralement une suspension concentrée d'amidon de ma?s et d'eau. D'après un classique des livres pour enfants bien connu en Amérique, une telle masse est appelée familièrement "ooblek", les scientifiques des matériaux l'appellent un liquide non newtonien. Contrairement aux liquides "normaux" (dits newtoniens), il peut devenir plus épais (plus visqueux) lorsqu'il est soumis à une force forte et rapidement variable. Pendant un bref instant, il se comporte comme un corps solide. En revanche, si la force est constante et faible, elle s'écoule comme un liquide normal.

"Ce phénomène se produit dans toutes les suspensions à forte densité de particules, par exemple dans le ciment", explique Lucio Isa, professeur d'interfaces à l'ETH Zurich. Si le ciment est pompé à trop grande vitesse à travers un tube sur un chantier, le tube se bouche.

Frottement plus élevé gr?ce à une surface rugueuse

La raison en est notamment la nature de la surface des particules solides en suspension : "Si une force agit soudainement, les particules solides ne peuvent pas s'écarter assez rapidement. Elles entrent en contact les unes avec les autres, se frottent les unes contre les autres et se bloquent mutuellement". Plus la surface des particules est rugueuse, plus le frottement est important.

Les chercheurs ont alors utilisé ces propriétés pour contr?ler de manière ciblée l'augmentation soudaine de la viscosité dans une suspension concentrée. Au lieu d'utiliser de l'amidon de ma?s, Isa et ses collègues ont "joué" avec des particules de silicate uniformes de taille micrométrique et à la surface rugueuse. Ces particules ressemblent à de minuscules framboises ; les scientifiques les ont déjà utilisées dans des études précédentes (cf. Actualités ETH du 14.06.2017). Chiao-Peng Hsu, doctorant d'Isa et de son collègue Nicholas Spencer, a élaboré une méthode qui lui permet de créer en peu de temps toute une bibliothèque de différentes particules de framboises de ce type, avec des surfaces plus ou moins rugueuses.

Une viscosité plus élevée malgré moins de particules

Avec ces particules, les chercheurs ont fabriqué des suspensions dont ils ont testé la soudaine augmentation de la viscosité sous l'effet d'une force. Il s'est avéré que plus les particules étaient rugueuses, moins les chercheurs devaient en ajouter dans une suspension pour obtenir cette brusque solidification. En revanche, si les particules avaient une surface lisse, les chercheurs devaient en ajouter de plus grandes quantités à la suspension jusqu'à ce qu'ils puissent observer la solidification soudaine.

Selon les chercheurs, les particules rugueuses permettent d'économiser du matériau : Leur proportion dans le volume total d'une suspension peut être nettement inférieure à celle des particules lisses pour obtenir le même effet.

Lorsque les chercheurs ont mélangé des particules rugueuses et lisses dans une suspension, le durcissement s'est également produit plus t?t que dans les suspensions où seules des particules lisses étaient présentes. Les chercheurs de l'ETH ont constaté que seulement six pour cent de billes lisses dans un mélange suffisaient à retarder de manière significative le moment de la brusque augmentation de la viscosité. "C'est comme si l'on mélangeait des billes de roulement et des roues dentées", explique Isa. "Les roues dentées s'accrochent relativement facilement et forment une cha?ne stable. Mais les billes lisses peuvent les briser et facilitent ainsi l'écoulement de la suspension".

Une "framboise" épinglée sur un cantilever

Pour étudier l'importance du frottement entre les différentes particules, Hsu et son collègue Shivaprakash Ramakrishna ont fixé une seule particule d'un demi-micromètre sur un cantilever d'un microscope à force atomique. Les chercheurs ont déplacé cette particule sur des surfaces modèles de différentes rugosités en dépla?ant le cantilever de quelques centaines de nanomètres et en mesurant de combien de degrés le cantilever basculait. Plus le frottement était important, plus l'angle de basculement était élevé. "Travailler avec une telle particule sur un cantilever était extrêmement difficile, car les dimensions sont incroyablement petites", souligne Hsu. "Aucun groupe n'avait réussi à le faire avant nous".

Utilité pour les gilets pare-balles

Il n'est pas clair pour l'instant si les connaissances acquises seront utilisées dans des applications. L'étude a servi en premier lieu à la recherche fondamentale. "Notre objectif était d'étudier comment nous pouvions modifier la nano- et la microstructure pour influencer le comportement du matériau au niveau macroscopique. Nous y sommes parvenus", explique Isa. Selon lui, les connaissances acquises peuvent en soi être appliquées à des produits de tous les jours comme le ciment. "Si l'on pouvait adapter les surfaces des grains et leur mélange dans le ciment conformément à nos connaissances, on pourrait optimiser ses propriétés d'écoulement".

Mais les suspensions épaisses à solidification brusque sont également utilisées à d'autres fins, par exemple un fabricant américain utilise des suspensions épaisses pour développer des gilets de sécurité résistants aux balles et aux coups de couteau. "Notre étude pourrait contribuer à améliorer de telles applications", souligne Isa.