Une nouvelle compréhension des fluides « de type oobleck » contribue à la conception intelligente de matériaux

Si vous mélangez de la fécule de maïs et de l’eau dans les bonnes proportions, vous obtenez quelque chose qui ne semble pas tout à fait liquide mais pas tout à fait solide. Oobleck coule et se dépose comme un liquide lorsqu'il n'est pas touché, mais se raidit lorsque vous essayez de le ramasser ou de le remuer avec une cuillère. Les propriétés de l'oobleck et d'autres fluides non newtoniens, notamment le Silly Putty, les sables mouvants, la peinture et le yaourt, changent sous l'effet du stress ou de la pression, et les scientifiques ont longtemps eu du mal à prouver exactement pourquoi.

Aujourd'hui, des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago ont utilisé des nanoparticules piézoélectriques, qui elles-mêmes changent en réponse à la pression, pour étudier la physique fondamentale des fluides non newtoniens. L’équipe a découvert le rôle clé du frottement entre les particules dans le passage des matériaux d’une structure fluide à une structure plus solide.

“Cela répond non seulement à des questions fondamentales de longue date sur les origines physiques de ces matériaux, mais ouvre également la porte à la conception de nouveaux fluides non newtoniens ayant des applications pratiques”, a déclaré Stuart Rowan, professeur Barry L. MacLean de génie moléculaire et co. -auteur principal de l'article, publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences.

Parmi ces applications potentielles figurent la peinture qui ne s'agglutine pas, les liquides qui durcissent dans un moule lorsqu'ils sont secoués et les équipements de protection portables qui se raidissent lorsqu'ils sont touchés.

Sondes piézoélectriques

Une caractéristique des fluides non newtoniens est que leur viscosité (leur épaisseur) change considérablement lorsque les matériaux sont soumis à des contraintes. Pour certains matériaux, cela signifie un amincissement sous contrainte. Secouer une bouteille de ketchup peut rendre le condiment considérablement plus fluide ; le yaourt, la mayonnaise et le dentifrice conservent leur forme dans un récipient mais deviennent plus liquides lors de leur utilisation.

Mais d’autres matériaux comme l’oobleck, qui est une suspension concentrée de particules, se comportent exactement à l’opposé : il peut sembler solide lorsqu’il est manipulé, mais s’effondrer en flaque d’eau lorsqu’il est posé.

Les scientifiques ont formulé des hypothèses sur les raisons pour lesquelles les suspensions de particules concentrées changent lorsqu'elles sont cisaillées, étant exposées à de multiples forces agissant dans des directions différentes. Ces hypothèses portent principalement sur la façon dont les molécules et les particules qui composent les matériaux peuvent interagir les unes avec les autres de différentes manières dans différentes conditions, mais chaque hypothèse est difficile à prouver.

“Pour comprendre ces suspensions de particules concentrées, nous voulons pouvoir observer la structure à l'échelle nanométrique, mais les particules sont si incroyablement encombrées qu'il est très difficile d'imaginer ces structures”, a expliqué le chercheur postdoctoral Hojin Kim, premier auteur du nouvel article. .

Pour relever ce défi, Kim a collaboré avec Rowan, Aaron Esser-Kahn, également professeur au PME et expert en piézochimie, et Heinrich Jaeger, professeur distingué de physique Sewell Avery. L'équipe a développé une technique qui mesure le changement de conductance électrique en fonction de la force de cisaillement exercée sur celle-ci. Ensuite, ils ont suspendu la nanoparticule dans un liquide à une concentration telle qu’elle présentait des propriétés non newtoniennes de la même manière que l’oobleck.

Les chercheurs ont appliqué une force de cisaillement au haut et au bas du liquide et ont simultanément mesuré les changements résultants de la viscosité et des signaux électriques. Cela leur a permis de déterminer comment les particules interagissaient lorsqu’elles passaient d’un matériau plus liquide à un matériau plus solide.

“Nous avons constaté que la friction entre les particules était essentielle à cette transition”, a déclaré Kim. “Dans cette solution concentrée de particules, il y a un point de basculement lorsque le frottement atteint un certain niveau et que la viscosité augmente brusquement.”

Une gamme d'applications

Comprendre les forces physiques en jeu dans une solution de particules concentrées est une étape vers la conception de nouveaux fluides non newtoniens en laboratoire. Un jour, ces matériaux techniques pourraient avoir des propriétés personnalisées permettant aux scientifiques de contrôler leur viscosité sous contrainte. Dans certains cas, cela pourrait se traduire par une diminution de l’agglutination et du colmatage des liquides comme la peinture et le béton. Dans d’autres cas, cela peut impliquer un durcissement délibéré des matériaux lorsque cela est souhaité.

“Pour toute application, nous espérons pouvoir éventuellement déterminer la combinaison idéale de solvants, de particules et de conditions de cisaillement pour obtenir les propriétés souhaitées”, a déclaré Kim. “Cet article peut ressembler à une recherche très fondamentale, mais en réalité, les fluides non newtoniens sont partout, et cela a donc de nombreuses applications.”

Pour l’instant, les chercheurs de Pritzker Molecular Engineering et d’UChicago envisagent de tirer parti de l’activité piézoélectrique induite par la contrainte de leurs suspensions de nanoparticules pour concevoir de nouveaux matériaux adaptatifs et réactifs qui, par exemple, deviennent plus rigides sous l’effet d’une force mécanique.