Le martelage au fond d'une bouteille de ketchup en verre est l'un des petits ennuis de la vie. Obtenir cette concoction douce et rouge de sa phase solide à un liquide prend trop de temps lorsque vous avez faim et que vous pouvez même nécessiter des stratégies désordonnées avec un couteau à beurre.
Maintenant, une équipe de scientifiques a montré que la détermination du point où les transitions solides vers un liquide peuvent être prédites à partir des propriétés de la phase solide seule. La recherche a été publiée dans Lettres d'examen physique.
Le nouveau travail se concentre sur le rendement, un phénomène où un matériau solide commence à se comporter comme un liquide. « Ce comportement se produit constamment tout autour de nous, des desserts comme des calculs qui coulent en douceur sur votre cuillère vers des produits de soins personnels comme le dentifrice qui sont facilement extraits des tubes mais tiennent leur forme sur votre brosse à dents », a déclaré Ryan Poling-Skutvik de l'Université de Rhode Island aux États-Unis aux États-Unis.
Ces substances subissent un changement lorsque suffisamment de stress est induit; Le point de changement est appelé «transition de rendement» et la substance est appelée «liquide de détente».
« Mais il se produit également dans des applications plus complexes pour contrôler comment les tissus se développent en s'adaptant à la croissance cellulaire et à l'impression 3D, où les fluides doivent être coulés à travers une buse puis se solidifier une fois terminé », a poursuivi Poling-Skutvik.
« Même si nous nous engageons quotidiennement avec ce phénomène, les scientifiques ont eu du mal à relier le phénomène qui donne aux propriétés des matériaux pendant plus d'un siècle. Notre travail démontre que cette transition – du moins en partie – peut être comprise par la façon dont le matériau est solide. »
Les liquides de stress d'élasticité (YSF) ont souvent une réponse complexe et non linéaire à la contrainte. En dessous de la transition de rendement, ils se déforment de manière récupérable, comme un solide viscoélastique, mais au-dessus de lui, la transition est définie et non découverte.
Bien que la première étude d'un tel « flux plastique » ait été publiée il y a 111 ans, les mécanismes précis du changement physique ont jusqu'à présent été peu compris, en partie parce que la définition et l'identification du rendement n'ont pas été réglées, avec de multiples protocoles en place. Mais un protocole couramment utilisé pour identifier le rendement est «un cisaillement oscillatoire à grande amplitude», où des contraintes et des souches sinusoïdales sont appliquées au matériau à des amplitudes variables.
Le matériau a une réponse périodique de deux manières importantes: le «module de stockage», proportionnel à l'énergie moyenne stockée par cycle, et le «module de perte», proportionnel à l'énergie moyenne dissipée par cycle en raison de la friction interne.
Dans de nombreux YSF, un dépassement du module de perte se produit à de grandes amplitudes, et une telle non-linéarité marque la transition de rendement due à une déformation non découverte. À ce stade, le module de perte est à un maximum.
Poling-Skutvik et son équipe ont d'abord utilisé un gel YSF composé d'un polymère distribué dans un mélange d'eau et d'alcool. Sa densité dépendait de la concentration en polymère, qui a été modifiée au cours des mesures.
Leur appareil expérimental était composé de deux plaques parallèles, et le gel a été secoué entre eux en tournant l'une des plaques à différentes fréquences et amplitudes jusqu'à ce qu'ils induisent une transition de rendement.
En mesurant les forces appliquées au gel (contrainte) et à ses déformations (déformation), elles ont pu calculer les modules de stockage et de perte. Les modules ont des unités de pression, de la force par unité de zone, mais leur rapport, appelé «tangent de perte», est un nombre pur sans dimension; Il reflète le degré que la substance fonctionne comme solide à la façon dont elle fonctionne en tant que liquide.
Ils ont également effectué les mêmes mesures pour d'autres YSF, tels que les émulsions liées au polymère (un exemple est mayonnaise stabilisé avec un polymère comme la gomme de xanthane), des gels colloïdaux tels que la gélatine et des réseaux fibrillaires, comme la matrice extracellulaire dans les tissus animaux.
Le traçage et l'analyse de la hauteur des modules de perte dépassent la tangente de perte, ils ont remarqué qu'il avait une caractéristique commune pour de nombreux YSF: le dépassement dépendait de la tangente de perte de la même manière pour le fluide de toutes les compositions des YSF testés.
Cela était surprenant, ont-ils déclaré, car la perte de tangente est déterminée lorsque la substance est solide, tandis que le dépassement se produit à la transition de rendement vers un liquide.
Avec cette nouvelle connaissance, le groupe, avec l'auteur principal Daniel P. Keane, également de l'Université du Rhode Island, a modélisé la physique analytiquement à l'aide d'un modèle développé il y a quelques années à peine, appelé le modèle KDR, qui est capable de modéliser avec précision de nombreuses caractéristiques de la transition de rendement.
Ils ont pu montrer, à la fois numériquement et en résolvant le modèle approximativement, que la hauteur de transition universelle en fonction de la tangente de perte était bien prise en compte par le modèle KDR.
Poling-Skutvik a déclaré: « Nos résultats peuvent aider à simplifier la conception de nouveaux matériaux pour se concentrer sur leurs propriétés au repos plutôt que de devoir répondre directement à la question la plus compliquée sur la transition de rendement elle-même. »
Leur travail a des applications à de nombreuses substances en sciences alimentaires et en production industrielle, du dentifrice aux suspensions colloïdales utilisées dans la fabrication de batteries.
