Des chercheurs de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation à Göttingen démêlent la structure complexe des granulés humides
Pour la construction d'une compétence sandcastle et l'imagination sont des ingrédients aussi nécessaires que l'eau, qui transforme le sable en un matériau moulable. Curieusement, cependant, la personne n'a besoin de suivre une recette pour la quantité précise d'eau: les propriétés mécaniques du sable humide sont tout à fait indépendantes de la teneur en liquide. Des chercheurs de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation à Göttingen, l'Université nationale Australie, l'Université d'Erlangen, et l'ESRF à Grenoble ont étudié ce phénomène à un niveau microscopique en utilisant x-ray micro tomographie. Ils ont découvert que lorsque la teneur en liquide du mélange est passée de moins de 1% et nettement supérieur à 10%, la distribution du fluide entre les grains de sable des changements de façon spectaculaire. La rigidité mécanique, cependant, reste pratiquement constante.
En médecine, les rayons X micro tomographie est également connu comme la tomographie par ordinateur. Les scientifiques irradient un objet avec des rayons X à partir de différents angles pour produire des images en deux dimensions. Ces images sont ensuite analysées au moyen d'un ordinateur, ce qui révèle la structure tridimensionnelle de l'objet à l'étude. Quand les scientifiques utilisent une source de rayons X lumineux comme la source de synchrotron à l'ESRF à Grenoble, la tomographie par ordinateur donne une résolution spatiale d'environ un millième de millimètre. Ceci est suffisant pour résoudre les structures de fluide minuscules et très complexes qui se forment à l'intérieur des granules humides.
Qu'est-ce que l'équipe de recherche a constaté en analysant ces images en trois dimensions est tout à fait étonnante: Le fluide ne remplit pas la structure de granulat complètement, forçant ainsi tout l'air sur les petits espaces entre les grains. Au lieu de cela, le liquide et coexiste air dans le mélange, formant une géométrie délicate.
Avec le recul, la raison de ce type de distribution est simple à comprendre. Comme les couches fluides les grains, il tente de s'entourer d'autant «grain» que possible. Le meilleur moyen où deux grains se touchent. L'espace «vide» entre les deux est relativement peu attrayante pour le fluide et peut donc être rempli d'air.
Comme les scientifiques ont réalisé des études plus précises, ils ont été surpris à nouveau: non seulement ne toutes les structures présentent la même pression; la pression était également indépendante de la teneur en fluide. Ceci explique la rigidité du matériau universel. La pression constante correspond à une force constante à l'intérieur de la structure et conduit aux mêmes propriétés mécaniques donc.
"Ces propriétés ne sont pas seulement importants pour la construction de châteaux de sable», explique Stephan Herminghaus de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation. Ils sont également pertinents pour les industries pharmaceutiques et de production alimentaire et aident à comprendre certaines catastrophes naturelles telles que les glissements de terrain. Herminghaus ajoute: «granulés humides sont pertinents dans de très nombreux domaines, et nous avons maintenant une meilleure compréhension de leurs propriétés mécaniques."