Une nouvelle étude fait un pas en avant pour clarifier la façon dont les matériaux souples, naturels et synthétiques, se déforment sous l’effet de contraintes. Les travaux des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urban-Champaign abordent un large éventail de défis d’ingénierie, notamment les catastrophes naturelles telles que les glissements de terrain. Crédit : Galerie du Ministère de la Défense du Pérou
Il est essentiel de comprendre comment les matériaux mous se déforment sous l’effet de contraintes pour résoudre des défis d’ingénierie aussi divers que la technologie pharmaceutique et la prévention des glissements de terrain. Une nouvelle étude reliant un spectre de comportements des matériaux mous, jusqu’alors considérés comme indépendants, a conduit les chercheurs à identifier un nouveau paramètre qu’ils appellent le facteur de fragilité, qui leur permet de simplifier le comportement de défaillance des matériaux mous. Cela aidera à terme les ingénieurs à concevoir de meilleurs matériaux qui relèveront les défis futurs.
Le travail est publié dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.
Simon Rogers, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, et Krutarth Kamani, étudiant diplômé, se spécialisent dans la détermination de la façon dont les matériaux mous cèdent sous la contrainte et ont montré comment les états physiques solide et liquide peuvent coexister dans le même matériau. Ce domaine présente un grand intérêt en raison de son importance pour les applications industrielles, environnementales et biomédicales.
En cours de route, l’équipe a identifié un problème de communication entre les scientifiques qui travaillent dans ce domaine, provoquant un goulot d’étranglement entre la compréhension théorique du comportement des matériaux mous et les applications du monde réel.
Lorsque des matériaux souples, naturels ou synthétiques, se déforment sous la pression, ils atteignent un point critique où ils reviennent à leur forme d’origine ou subissent une déformation permanente, comme l’étirement ou la rupture d’un morceau d’élastique. Ce processus est connu sous le nom de fléchissement. Une transition progressive vers un fléchissement est appelée comportement ductile, tandis qu’une transition abrupte est qualifiée de comportement fragile, ont déclaré les chercheurs.
« Lors d’une récente conférence, nous avons réalisé que tous ceux d’entre nous qui étudions les matériaux mous de toute l’Europe et d’Amérique du Nord ne parvenaient pas à s’accorder sur le lien entre le comportement fragile et ductile, ni sur la manière de le définir. »
Au lieu de considérer le comportement des matériaux mous comme fragiles ou ductiles, l’équipe de Rogers a étudié un spectre de comportements élastiques. Cela a permis à l’équipe de construire un modèle continu, qui leur a permis de découvrir le facteur de fragilité. Ce facteur est essentiel pour déterminer comment et pourquoi les matériaux mous se détériorent.
Essentiellement, la fragilité affecte la façon dont un matériau se déforme de manière permanente sous l’effet de contraintes. Le modèle de l’équipe indique que plus le facteur de fragilité est élevé, moins un matériau souple se déformera de manière permanente avant de céder.
Comme dans les études précédentes de l’équipe, le modèle a été développé et testé à l’aide de données provenant de nombreuses expériences qui ont soumis divers matériaux mous à des contraintes tout en mesurant les réponses de déformation individuelles à l’aide d’un appareil appelé rhéomètre.
« Nous ne nous attendions pas à ce que cette étude explique autant de choses », a déclaré Rogers, qui est également affilié au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l’Université de l’Illinois. « Nous avons finalement trouvé un moyen de rassembler tout un ensemble de comportements de matériaux mous sous le même parapluie physique. Auparavant, ils avaient été étudiés indépendamment ou peut-être tous appliqués simultanément, mais on n’avait jamais pensé qu’ils étaient physiquement ou mathématiquement connectés. »
Cette découverte permettra aux chercheurs d’expliquer précisément pourquoi certains matériaux sont plus résistants à la rupture rapide que d’autres, une question qui échappe aux chercheurs depuis des décennies.
« Ce paramètre unique relie de manière étonnante tant d’observations déroutantes que les chercheurs ont rencontrées au fil des ans », a déclaré Kamani.
« Ce travail marque le point où nous approchons du sommet de la colline dans la compréhension du comportement des matériaux mous », a déclaré Rogers. « Nous avons toujours eu l’impression que chaque pas nous faisait monter plus haut, mais sans fin en vue. Maintenant, nous pouvons voir le sommet de la colline, nous en sommes plus proches et libres d’avancer dans la direction que nous souhaitons. »
Plus d’information:
Krutarth M. Kamani et al, Rupture fragile et ductile dans les matériaux mous, Actes de l’Académie nationale des sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2401409121
Fourni par l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign
Citation:Un nouveau paramètre permet de clarifier la manière dont les matériaux mous se déforment sous contrainte (2024, 18 juillet) récupéré le 18 juillet 2024 à partir de
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