Pendant des décennies, les scientifiques ont observé, sans parvenir à l'expliquer, un phénomène observé dans certains matériaux mous : lorsqu'une force est appliquée, ces matériaux présentent non pas un, mais deux pics de dissipation d'énergie, appelés dépassements. Étant donné que l'on pense généralement que les dépassements indiquent le point auquel un matériau cède, ou passe d'un comportement solide à un comportement fluide, la double réponse a donc été supposée indiquer une « double élasticité », l'idée selon laquelle pour fluidifier complètement un matériau, il devait céder deux fois.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont montré que ce comportement est différent de celui supposé précédemment. Leur article, « Resolving Dual Processes in Complex Oscillatory Yielding », est publié dans Lettres d'examen physique.
Dans l'étude, le professeur de génie chimique et biomoléculaire Simon A. Rogers et son équipe, dirigée par James J. Griebler, alors étudiant diplômé, montrent que la réponse en deux étapes est le résultat de deux processus indépendants : d'abord, un ramollissement de la structure élastique du matériau, et plus tard, une véritable élasticité.
Pour leurs travaux, l'équipe a utilisé une nouvelle approche appelée rhéologie de récupération, qui considère la déformation (la mesure de la déformation d'un matériau) comme un paramètre composite constitué de composants récupérables et irrécupérables. Rogers l'a comparé à du chewing-gum.
« Imaginez que vous mâchiez du chewing-gum, que vous le retiriez de votre bouche et que vous l'étiriez », a-t-il expliqué. « Une partie s'étirera et, si vous la lâchez, une partie reculera – elle rebondira un peu, mais elle ne reviendra pas complètement. Ce petit recul est ce que nous appelons la partie récupérable, et le fait qu'il ne revienne pas complètement est la partie irrécupérable. «
En utilisant ce concept comme point de départ, les chercheurs ont mené une série d’expériences de cisaillement oscillatoire en utilisant du Carbopol, un polymère de type gel dissous dans du propylène glycol que l’on trouve largement dans de nombreux produits en gel commerciaux. À mesure qu’ils augmentaient la déformation, le matériau présentait deux dépassements distincts dans sa réponse.
Ensuite, en observant quelle part de la déformation appliquée était récupérable et quelle part était irrécupérable, ils ont observé que ces dépassements provenaient de processus physiques distincts plutôt que d’un processus répété. Le premier dépassement, plus petit, indiquait un ramollissement du matériau sans céder – un comportement réversible.
En revanche, le deuxième dépassement, plus prononcé, marque une transition vers une élasticité totale, représentant une déformation irréversible. L’équipe a étayé ses conclusions en développant un modèle prédictif qui capture avec précision ce comportement de double dépassement.
Bien que l’impact immédiat de leurs travaux réside principalement dans l’avancement des recherches futures, la distinction entre des processus physiques distincts et à double limite d’élasticité pourrait à terme influencer la manière dont les matériaux sont manipulés dans les applications industrielles.
« Le traitement de ces matériaux implique des déformations importantes et rapides qui déséquilibrent les matériaux », a déclaré Rogers. « Notre modèle fournit une description plus précise de ce comportement hors d'équilibre, afin que nous comprenions mieux comment les matériaux réagissent dans les conditions qui nous intéressent réellement. »
Rogers, dont la formation en physique l'amène souvent à aborder les problèmes rhéologiques de manière non traditionnelle, a déclaré que l'étude met également en évidence la valeur d'une expérimentation minutieuse par rapport aux approches purement théoriques.
« Pendant très longtemps, les gens ont essayé de résoudre ce problème en effectuant les mêmes expériences que celles utilisées pour découvrir l'effet et ils pensaient que la réponse se trouverait quelque part dans une analyse mathématique », a déclaré Rogers.
« Ce que nous avons montré, c'est que des expériences simples conçues pour tester les hypothèses sous-jacentes valent bien plus que cette analyse mathématique complexe, et elles nous ont orientés vers une réalité qui n'avait pas été découverte auparavant. »
Outre Rogers et Griebler, qui est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université du Tennessee, les co-auteurs comprennent la chercheuse invitée Anita S. Dobo et la chercheuse de premier cycle Elizabeth E. Miczuga.
