La recherche identifie le lien clé entre l’instabilité gravitationnelle dans les gels physiques et les milieux granulaires

Des chercheurs de l’Université métropolitaine de Tokyo ont identifié des similitudes clés entre le comportement des matériaux granulaires et la fonte des gels. Ils ont découvert que la chute des lits de sable partage le même mécanisme de déstabilisation que la fonte de la gélatine lorsqu’elle est chauffée par le bas, en particulier la façon dont les paramètres clés évoluent avec l’épaisseur de la région fluidisée. Leurs conclusions, publiées dans Rapports scientifiquesfournissent des avancées importantes dans notre compréhension de la déstabilisation sous gravité, comme on le voit dans les avalanches, les glissements de terrain et les processus de transport industriel.

Le sable et la gelée ne se ressemblent peut-être pas beaucoup, mais ils ont des propriétés physiques similaires. Le sable est composé de milliards de grains de matière solide, qui peuvent couler comme un liquide et obstruer les tuyaux comme un solide. Des matériaux comme les solutions de gélatine se versent comme un liquide à haute température, mais prennent soudainement des propriétés solides lorsqu’ils sont refroidis. En regardant les détails microscopiques, il apparaît que la solidité des gels est sous-tendue par des réseaux de polymère ou de protéine qui sillonnent un matériau ; cela ressemble à la façon dont les « chaînes de force », des réseaux de grains qui se poussent les uns les autres, donnent naissance à l’apparente solidité du sable. Cette jonction fascinante de comportement solide et liquide constitue l’épine dorsale de nombreux phénomènes naturels, comme les avalanches et les glissements de terrain, mais est encore mal comprise.

Ces similitudes ont inspiré le Dr Kazuya Kobayashi et le professeur Rei Kurita de l’Université métropolitaine de Tokyo à comparer directement les gels physiques et les lits de sable lorsqu’ils se fluidifient. Ils ont observé la fluidisation de lits minces de solutions de sable et de gélatine à l’aide de caméras à grande vitesse. Pour le sable, des lits préformés de grains dans l’air ou dans l’eau ont été inversés et observés lorsque la base commence à tomber. Pour la gélatine, deux couches avec différentes concentrations de gélatine ont été préparées, l’une au-dessus de l’autre. Les concentrations ont été choisies pour que la couche inférieure se fluidifie complètement en premier. Comme le matériau est chauffé par le bas, la couche supérieure se déstabilise et commence à tomber.

Dans les deux systèmes, l’équipe a trouvé des instabilités de doigté, où de fins doigts de matériau tombent dans le matériau (ou air/eau) en dessous, ressemblant à des gouttelettes de pluie tombant par une fenêtre. Au fil du temps, de nouveaux doigts apparaîtraient entre ceux existants, et l’interface entre les parties liquides et solides reculerait. En utilisant une technique d’imagerie spéciale, l’équipe a également pu identifier une région d’interface « fluidisée » au-dessus de l’endroit où les doigts commencent réellement. L’épaisseur de cette région s’est avérée fortement corrélée à des paramètres clés tels que la vitesse à laquelle le front recule et la distance entre les doigts. Ce type de relation est appelé relation « d’échelle » et est important en physique pour relier des phénomènes qui peuvent sembler différents au départ mais qui peuvent être liés à un niveau plus profond par leurs mécanismes. Dans ce cas, il s’agit d’une preuve solide de la façon dont les similitudes entre les matériaux, c’est-à-dire la connectivité d’un réseau porteur de force, sous-tendent leur comportement physique macroscopique.

Grâce à leurs expériences approfondies, les travaux de l’équipe offrent des informations précieuses sur la façon dont les matériaux granulaires et les gels se déstabilisent sous l’effet de la gravité, avec des implications à la fois pour les phénomènes de fluidisation dans la nature et la conception de systèmes de transport pour les matériaux granulaires à l’échelle industrielle.

Fourni par l’Université métropolitaine de Tokyo