Le miel est déjà un liquide épais, mais laissez-le commencer à cristalliser et il peut devenir carrément agglomérant. Les cristaux de sucre en suspension semblent augmenter sa viscosité. Ce phénomène se produit dans le monde naturel et construit : des coulées de boue à la peinture, les suspensions de particules ont tendance à se comporter comme des fluides visqueux.
Les ingénieurs utilisent cela à leur avantage en modélisant les propriétés macroscopiques d’une suspension en fonction de la taille et de la concentration de ses particules. Cependant, cette approximation s’effondre à une certaine échelle. Virgile Thiévenaz et Alban Sauret de l’UC Santa Barbara ont cherché à déterminer quand et comment.
Ils ont découvert que les particules ne se répartissent pas uniformément une fois qu’une suspension tombe en dessous d’une certaine échelle de longueur, comme lorsque le fluide se pince pour former le col d’une gouttelette. Finalement, il y aura une région mince sans aucune particule qui se comporte comme un liquide pur. Les conclusions, publiées dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesmettent en évidence la limite des approximations et ont de nombreuses applications potentielles en milieu industriel.
La viscosité quantifie le frottement interne entre les couches d’un fluide. Dans un liquide visqueux, une couche exerce plus de traînée sur sa voisine, produisant un fluide plus épais qui est plus résistant à la déformation et à l’écoulement. Les particules dans une suspension se comportent de la même manière. Une particule est plus susceptible de se déplacer lorsque ses voisins se déplacent, ce qui augmente la viscosité effective du fluide. Des concentrations plus élevées rapprochent les particules, renforçant l’effet. « Donc tant qu’on regarde la suspension de loin, c’est juste un liquide plus visqueux », explique Thiévenaz, chercheur postdoctoral au département de génie mécanique.
Dans des expériences de gouttelettes, Thiévenaz et Sauret ont observé que les suspensions s’étirent comme un liquide visqueux jusqu’à une certaine épaisseur, après quoi il devient possible d’éloigner les particules les unes des autres. Cela crée des régions avec des concentrations variables qui se comportent différemment. Finalement, une région ne contiendra aucune particule et agira comme un fluide pur. Après cela, la viscosité effective se simplifie à celle du liquide pur.
Les ingénieurs ont compilé de nombreuses données pour calibrer la viscosité effective des suspensions avec la taille et la concentration des particules à grande échelle. Le défi de Thiévenaz et Sauret était de comprendre à quelle échelle les approximations classiquement utilisées pour modéliser les suspensions commençaient à se défaire.
Avec plus d’expérimentation, les auteurs ont déterminé que ce seuil varie également avec la taille et la concentration des particules. Une suspension passera d’agir comme un fluide visqueux à se comporter davantage comme un mélange hétérogène à des échelles égales à la taille des particules.
Fait intéressant, les particules plus petites semblent avoir un effet proportionnellement plus fort. « Par rapport à la taille des particules, le seuil est beaucoup plus grand pour les petites particules à une concentration donnée », a déclaré Sauret, professeur adjoint de génie mécanique.
Par exemple, une suspension avec une concentration de 30 % de particules de 140 micromètres peut se comporter en douceur jusqu’à des échelles de 600 µm, soit environ quatre fois le diamètre des particules. Mais une suspension avec des particules de 20 µm à la même concentration peut présenter cet effet jusqu’à 250 µm : une échelle globalement plus petite, mais plus de 12 fois le diamètre des particules.
La prédiction du comportement d’une suspension a des applications majeures dans la fabrication. Un processus peut nécessiter la manipulation de films ou la création de minuscules gouttelettes, et les techniciens doivent être capables de prédire les propriétés de ces systèmes. Pour les pièces revêtues par trempage, manipuler correctement les particules dans un film peut faire la différence entre un produit fini et un désordre absolu, a expliqué Sauret.
L’enduction par pulvérisation illustre encore mieux ce phénomène. Un liquide pur, comme un vernis, se comportera différemment d’une suspension, comme la peinture, lors du revêtement par pulvérisation d’un produit. Par rapport à un liquide pur avec la même viscosité effective, une suspension se brisera plus tôt avec moins de gouttelettes plus grosses. La prochaine tâche des chercheurs consiste à déterminer comment le nombre et la taille des gouttelettes dépendent de paramètres tels que la vitesse, la concentration et la taille des particules.
L’approximation des suspensions en tant que liquides visqueux fonctionne bien, mais seulement à certaines échelles. « À un moment donné, cela va échouer », a déclaré Sauret. « Et nous devons pouvoir dire, ‘à ce stade, vous ne pouvez pas utiliser cette approche, et à la place, vous devez utiliser une méthode différente.' »
Virgile Thiévenaz et al, L’apparition de l’hétérogénéité dans le pincement des gouttes de suspension, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2120893119