Les matériaux qui composent toutes les structures et les systèmes physiques qui nous entourent, y compris notre propre corps, ne sont pas parfaits – ils contiennent des défauts sous la forme de minuscules fissures. Lorsque l'une de ces fissures se propage soudainement et rapidement, elle peut être mortelle, mais les motifs riches et complexes formés par des fissures peuvent également être spectaculaires et intrigants.
Jusqu'à présent, les physiciens ont eu du mal à fournir un cadre théorique expliquant pourquoi les fissures se ramifient et s'écartent souvent de leur chemin attendu, ralentissant en conséquence.
Deux études récentes du Weizmann Institute of Science apportent l'ordre à la propagation désordonnée des fissures et montrent que, bien que chaque fissure puisse sembler unique, il existe des paramètres physiques quantitatifs qui façonnent le processus de propagation et expliquent la formation de motifs de fissure asymétriques.
Des décennies d'expériences contrôlées dans la défaillance des matériaux ont montré que même lorsqu'une fissure parfaitement symétrique est créée sous des forces de traction, elle perd spontanément la symétrie à mesure qu'elle se propage, qui se déroge et se déplaçant plus lentement que prévu.
« Ces observations sont exactement l'opposé de ce à quoi nous nous attendons sur la base des calculs théoriques, qui prédisent que même si nous introduisons un petit obstacle sur le chemin d'une fissure symétrique sous tension, la fissure devrait revenir à une trajectoire lisse et symétrique », explique le professeur Eran Bouchbinder.
« Compte tenu des preuves expérimentales, nous avons supposé qu'il devait y avoir des liens manquants – des propriétés physiques visibles qui pourraient expliquer le comportement observé. »
Dans l'une des deux études – publié en Communications de la nature et dirigé par le Dr Yuri Lubomirsky, alors doctorant du groupe de Bouchbinder au département de physique chimique et biologique de Weizmann – les chercheurs ont utilisé un modèle informatique pour simuler la propagation des fissures dans des matériaux tridimensionnels.
« Pour comprendre la propagation des fissures, nous nous sommes concentrés sur la pointe de la fissure – le point où le matériau passe de l'intact à fracturé », explique Lubomirsky. « Alors que les conditions modérées prévalent dans la plupart des matériaux la plupart du temps – ce qui signifie que son comportement peut souvent être compris en faisant la moyenne de ses propriétés – la pointe de fissure est régie par des conditions extrêmes.
« Les quantités physiques telles que la force, la température et la vitesse sont si importantes là-bas qu'elles peuvent être traitées mathématiquement comme approchant l'infini, et les règles physiques habituelles ne s'appliquent plus. Nous avons postulé que la pointe de fissure pourrait révéler les propriétés cachées qui expliquent la propagation de fissure asymétrique. »
La recherche ardue de sept ans des chercheurs de ces propriétés physiques manquantes était parfois frustrante. «En fin de compte, la percée est venue de l'introduction d'un trouble significatif dans les simulations – un facteur auparavant négligé dans les théories dynamiques de la défaillance matérielle.
« Nous avons effectué de nombreuses simulations en utilisant des capacités informatiques avancées et avons observé que la fissure se déplace initialement droit jusqu'à ce qu'elle atteigne un point où il se divise localement, puis modifie la direction », explique Bouchbinder.
« Le défi était d'extraire de la grande quantité de données Le principe de base expliquant pourquoi la fissure se ramifie et s'écarte d'un chemin lisse et symétrique. Un jour, j'ai demandé à Yuri de référencer deux graphiques, et c'est à ce moment-là qu'il a cliqué: le trouble intrinsèque du lien manquant. »
Les règles des fissures
Les lois de la physique expliquent assez bien le comportement des matériaux uniformes, mais la plupart des matériaux du monde ne sont pas vraiment uniformes. Le verre, par exemple, apparaît lisse et homogène, mais un examen plus approfondi de ses particules et les connexions entre elles révèle une structure manquant d'ordre cohérent. Cela signifie que les forces internes agissant dans le verre varient d'une région à l'autre.
Jusqu'à présent, les ingénieurs et les scientifiques essayant de comprendre la dynamique des fractures s'étaient appuyés sur les propriétés des matériaux moyennées et n'ont donc pas expliqué pourquoi les fissures se brisaient la symétrie. Bouchbinder et Lubomirsky ont réalisé que la réponse réside dans l'étendue du trouble interne – c'est-à-dire à quel point la force du matériau varie d'un endroit à l'autre.
Les chercheurs ont appliqué des forces de fracture variables à leur modèle informatique et ont étudié la relation entre la propagation des fissures et le trouble des matériaux. Ils ont observé que lorsque les forces de fracture étaient faibles, les fissures se sont propagées symétriquement sans ramification et n'étaient pas affectées par le trouble.
Cependant, lorsque les forces de fracture étaient modérées, les fissures sont devenues sensibles aux troubles: lorsque la pointe de fissure a atteint une région plus faible, les instabilités locales se sont développées, provoquant la division de la fissure localement au lieu de se poursuivre en ligne droite. Ces succursales locales se sont concourues – une branche se décrocherait tandis que l'autre se poursuivrait comme la fissure principale, changeant souvent de direction.
L'examen rétrospectif de ces régions a révélé des microfissures où les branches secondaires avaient été arrêtées. En d'autres termes, dans ce régime, l'étendue de la ramification dépendait directement du degré de désordre.
Enfin, lorsque les forces de fracture dépassaient un seuil critique, la fissure ne s'est plus arrêtée aux points d'instabilité mais s'est divisée en branches entièrement séparées qui s'élargissent et pénétraient plus profondément dans le matériau. Dans ce régime de haute force, le trouble a de nouveau joué un rôle mineur.
L'écart des fissures de leur axe de symétrie et la formation de branches sont à un coût énergétique: une plus grande quantité de matériau est brisée, et la vitesse de la fissure diminue par rapport à la vitesse qu'il aurait atteinte si elle était restée lisse et symétrique.
Un autre phénomène couramment observé dans les fissures – également lié à la rupture de symétrie – est la formation d'étapes composées de deux surfaces de fracture en interaction. Dans une étude de suivi publiée dans Lettres d'examen physiqueles chercheurs ont étudié comment ce modèle se forme.
Ils ont constaté que la formation des étapes dépend non seulement du degré de trouble interne mais également des légères déviations des forces de traction externe par rapport à la symétrie parfaite. En plus des forces de traction qui ouvrent la fissure, il y a presque toujours des forces perpendiculaires, ce qui fait que les visages de la fissure se glissent les uns les autres dans un mouvement de rotation.
Intégrant les deux types de force et le trouble interne dans leur modèle mathématique, les scientifiques ont réussi à prédire et à expliquer l'émergence du schéma de pas.
« Ces découvertes fournissent un cadre physique et mathématique pour comprendre l'échec du matériel grâce à la dynamique des fissures que nous rencontrons dans la vie quotidienne », explique Bouchbinder.
Lubomirsky ajoute: «Nos résultats pourraient également aider à concevoir des matériaux plus résilients à la fissuration catastrophique. Nous montrons que l'augmentation des troubles peut ralentir la propagation des fissures – une idée qui pourrait avoir des implications significatives pour la conception des structures et des systèmes physiques.
« Les matériaux naturels tels que les os et les dents ont évolué pour résister à l'échec, et il est possible que leur trouble interne soit l'un des facteurs clés de leur résilience. C'est là que nos résultats ont également mis en lumière le fonctionnement de la nature. »
