Des scientifiques de l’Université métropolitaine de Tokyo ont créé un nouveau modèle pour les matériaux désordonnés afin d’étudier la manière dont les matériaux amorphes résistent aux contraintes. Ils ont traité des groupes d’atomes et de molécules comme des sphères molles de douceur variable.
En soumettant leur modèle à une charge, ils ont découvert des disparités inattendues entre les régions les plus dures et les endroits où les forces étaient concentrées, avec des zones entre ces régions « durcissant » pour produire des « chaînes de force » allongées. Leur résultatsapparaissant dans Rapports scientifiquespromettent de nouvelles perspectives pour la conception de meilleurs matériaux.
Lorsqu’il s’agit de construire des matériaux durs, l’utilisation d’ingrédients durs ne suffit pas. Par exemple, lorsque le béton se brise lors d’un tremblement de terre, les forces générées se concentrent à certains endroits, provoquant la formation de fissures. On sait que la transmission des forces à travers des solides amorphes comme le béton et le ciment suit des chemins bien définis appelés « chaînes de force ».
Décrypter la façon dont ils émergent contribuerait grandement à comprendre comment ces solides se comportent sous contrainte, mais on ne sait pas encore comment ils émergent et comment ils sont liés aux propriétés des matériaux.
Cela a inspiré une équipe de chercheurs de l’Université métropolitaine de Tokyo dirigée par le professeur Rei Kurita à construire des modèles simples et maniables de matériaux amorphes qui pourraient nous apprendre comment se forment les chaînes de force. Au lieu de simplement simuler le mouvement de tous les atomes dans un matériau donné, ils ont décidé de représenter des groupes d’atomes avec des sphères de rigidité variable, reflétant la manière dont ces groupes réagissent aux forces.
Les matériaux qu’ils ont étudiés ont ensuite été caractérisés par la variabilité de leurs rigidités dans l’espace et par l’étendue des motifs des régions dures et molles.
En déformant leur réseau de particules spongieuses, ils ont d’abord cherché si la rigidité locale était en corrélation avec la transmission de la chaîne de force. Au départ, il semblait y avoir une corrélation claire entre les régions les plus dures et les chaînes de force. Cependant, une analyse plus approfondie révèle que les chaînes de force ont davantage la forme de cordes et ne sont pas aussi bien corrélées avec les régions dures isolées.
Pour comprendre cet écart, l’équipe a étudié un modèle plus simple de deux régions rigides séparées par une région plus molle, constatant que la région la plus molle devient plus dense, générant les forces élevées nécessaires au maintien de la chaîne. Il s’agit d’un premier aperçu des mécanismes fondamentaux de connexion des chaînes de force.
Mais comment ces variations affectent-elles les propriétés du matériau ? Il s’avère que des variations plus importantes de douceur et des régions molles/dures plus larges conduisent toutes deux à des matériaux systématiquement plus mous, tout comme des variations plus importantes de densité locale. La conclusion que nous pouvons tirer est que même avec les mêmes éléments de base, des matériaux amorphes avec une rigidité plus uniforme donnent un matériau plus dur en raison d’une répartition plus uniforme des chaînes de force.
Bien que l’émergence de variations de rigidité dans les matériaux réels reste inexplorée, l’équipe espère que leur nouveau modèle et leur nouveau mécanisme ouvriront la voie à des principes de conception permettant de fabriquer de meilleurs matériaux.
Plus d’information:
Rei Kurita et al, Formations de réseau de forces et ramollissement de matériaux élastiques amorphes à partir d’un modèle de particules à grains plus grossiers, Rapports scientifiques (2024). DOI : 10.1038/s41598-024-59498-2