Les chercheurs du MIT ont développé une méthode permettant de réaliser des expériences en 3D pouvant révéler comment les forces sont transmises à travers les matériaux granulaires et comment la forme des grains peut modifier considérablement les résultats. Sur cette photo, des particules photoélastiques 3D s'illuminent et changent de couleur sous des charges externes. Crédit : Rubén Juanes
Une nouvelle technique permet de visualiser les forces internes au sein des matériaux granulaires avec des détails tridimensionnels, surmontant ainsi les défis antérieurs liés à l'observation de leur comportement.
Les matériaux granulaires, constitués de morceaux individuels, qu'il s'agisse de grains de sable, de grains de café ou de cailloux, constituent la forme de matière solide la plus abondante sur Terre. La façon dont ces matériaux se déplacent et réagissent aux forces externes peut déterminer le moment où des glissements de terrain ou des tremblements de terre se produisent, ainsi que des événements plus banals tels que la façon dont les céréales se bouchent à la sortie de la boîte.
Pourtant, analyser la manière dont ces événements de flux se produisent et ce qui détermine leurs résultats a été un véritable défi, et la plupart des recherches se sont limitées à des expériences bidimensionnelles qui ne révèlent pas une image complète du comportement de ces matériaux.
Maintenant, les chercheurs de MIT ont développé une méthode permettant de réaliser des expériences 3D détaillées pouvant révéler exactement comment les forces sont transmises à travers les matériaux granulaires et comment la forme des grains peut modifier radicalement les résultats. Ces nouveaux travaux pourraient permettre de mieux comprendre comment les glissements de terrain sont déclenchés, ainsi que de contrôler le flux de matériaux granulaires dans les processus industriels. Les résultats sont décrits dans la revue PNAS dans un article rédigé par Ruben Juanes, professeur de génie civil et environnemental au MIT, et Wei Li SM '14, PhD '19, qui fait maintenant partie du corps professoral de l'Université de Stony Brook.
Ubiquité et importance des matériaux granulaires
De la terre et du sable à la farine et au sucre, les matériaux granulaires sont omniprésents. «C'est un objet du quotidien, il fait partie de notre infrastructure», explique Li. « Lorsque nous explorons l’espace, nos véhicules spatiaux atterrissent sur un matériau granulaire. Et la défaillance des médias granulaires peut être catastrophique, comme des glissements de terrain.
« L'une des découvertes majeures de cette étude est que nous fournissons une explication microscopique de la raison pour laquelle un paquet de particules angulaires est plus résistant qu'un paquet de sphères », explique Li.
Juanes ajoute : « Il est toujours important, à un niveau fondamental, de comprendre la réponse globale du matériau. Et je peux voir qu’à l’avenir, cela peut fournir une nouvelle façon de prédire le moment où un matériau va échouer.
La compréhension scientifique de ces matériaux a véritablement commencé il y a quelques décennies, explique Juanes, avec l'invention d'un moyen de modéliser leur comportement à l'aide de disques bidimensionnels représentant la manière dont les forces sont transmises à travers un ensemble de particules. Même si cela a fourni de nouvelles connaissances importantes, cela s’est également heurté à de graves limites.
Dans des travaux antérieurs, Li a développé un moyen de fabriquer des particules tridimensionnelles grâce à une technique de moulage par compression qui produit des particules de plastique exemptes de contraintes résiduelles et pouvant être fabriquées dans pratiquement n'importe quelle forme irrégulière. Aujourd'hui, dans cette dernière recherche, lui et Juanes ont appliqué cette méthode pour révéler les contraintes internes dans un matériau granulaire lorsque des charges sont appliquées, dans un système entièrement tridimensionnel qui représente beaucoup plus précisément les matériaux granulaires du monde réel.
Techniques d'imagerie et applications futures
Ces particules sont photoélastiques, explique Juanes, ce qui signifie que lorsqu'elles sont soumises à une contrainte, elles modifient toute lumière qui les traverse en fonction de l'ampleur de la contrainte. « Ainsi, si vous faites passer une lumière polarisée à travers celui-ci et que vous stressez le matériau, vous pouvez voir où ce changement de contrainte se produit visuellement, sous la forme d'une couleur différente et d'une luminosité différente dans le matériau. »
De tels matériaux sont utilisés depuis longtemps, explique Juanes, mais « l’une des choses clés qui n’a jamais été réalisée était la capacité d’imager les contraintes de ces matériaux lorsqu’ils sont immergés dans un fluide, où le fluide peut s’écouler à travers le fluide ». le matériau lui-même. »
Il est important de pouvoir le faire, souligne-t-il, car « les milieux poreux d’intérêt – milieux poreux biologiques, milieux poreux industriels et milieux poreux géologiques – contiennent souvent du fluide dans leurs espaces interstitiels, et ce fluide sera transporté hydrauliquement à travers ces pores. ouvertures. Et les deux phénomènes sont couplés : comment la contrainte est transmise et quelle est la pression du fluide interstitiel.
Le problème était que lorsqu’on utilisait une collection de disques bidimensionnels pour une expérience, les disques se remplissaient de manière à bloquer complètement le fluide. Ce n'est qu'avec une masse tridimensionnelle de grains qu'il y aurait toujours des chemins pour que le fluide puisse s'écouler, de sorte que les contraintes puissent être surveillées pendant le mouvement du fluide.
Grâce à cette méthode, ils ont pu montrer que « lorsque l’on comprime un matériau granulaire, cette force est transmise sous la forme de ce que nous appellerions des chaînes, ou filaments, que cette nouvelle technique est capable de visualiser et de représenter en trois dimensions ». » dit Juanes.
Pour obtenir cette vue 3D, ils utilisent une combinaison de photoélasticité pour éclairer les chaînes de force, ainsi qu'une méthode appelée tomodensitométrie, similaire à celle utilisée dans les tomodensitogrammes médicaux, pour reconstruire une image 3D complète à partir d'une série de 2 400 images plates prises. lorsque l'objet tourne à 360 degrés.
Parce que les grains sont immergés dans un fluide qui a exactement le même indice de réfraction que les grains de polyuréthane eux-mêmes, les billes sont invisibles lorsque la lumière traverse leur contenant si elles ne sont pas soumises à des contraintes. Ensuite, un stress est appliqué, et lorsque la lumière polarisée est diffusée, cela révèle les stress sous forme de lumière et de couleur, explique Juanes. « Ce qui est vraiment remarquable et passionnant, c'est que nous n'imaginons pas le milieu poreux. Nous imaginons les forces transmises à travers le milieu poreux. Cela ouvre, je pense, une nouvelle façon d’interroger les changements de contraintes dans les matériaux granulaires. Il ajoute que « c'est vraiment un de mes rêves depuis de nombreuses années », et il dit qu'il a été réalisé grâce au travail de Li sur le projet.
Grâce à cette méthode, ils ont pu démontrer exactement comment les grains irréguliers et anguleux produisent un matériau plus résistant et plus stable que les grains sphériques. Même si cela était connu empiriquement, la nouvelle technique permet de démontrer exactement pourquoi, en fonction de la façon dont les forces sont réparties, et permettra dans les travaux futurs d'étudier une grande variété de types de grains pour déterminer exactement quelles sont leurs caractéristiques. le plus important dans la réalisation de structures stables, telles que le ballast des plates-formes ferroviaires ou les enrochements des brise-lames.
Parce qu'il n'existe aucun moyen d'observer les chaînes de force 3D dans de tels matériaux, Juanes explique : « À l'heure actuelle, il est très difficile de prédire avec précision le moment où un glissement de terrain se produira, car nous ne connaissons pas l'architecture de la force. chaînes pour différents matériaux.
Il faudra du temps pour développer la méthode permettant de faire de telles prédictions, dit Li, mais cela pourrait finalement constituer une contribution significative de cette nouvelle technique. Et de nombreuses autres applications de la méthode sont également possibles, même dans des domaines apparemment sans rapport, comme la façon dont les œufs de poisson réagissent lorsque le poisson qui les transporte se déplace dans l'eau, ou pour aider à concevoir de nouveaux types de pinces robotiques qui peuvent facilement s'adapter pour ramasser des objets. de n'importe quelle forme.
Le travail a été soutenu par la National Science Foundation des États-Unis.
