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Jun 05, 2023

Qu'ont en commun la gelée et le sable ?

Mécanisme de déstabilisation commun découvert pour les grains et les gels sous gravité Image de l'Université métropolitaine de Tokyo : lorsque les lits de sable (a) et les gels (b) sont déstabilisés, des instabilités de « doigtage » similaires se produisent

Mécanisme de déstabilisation commun découvert pour les grains et les gels sous gravité

Université métropolitaine de Tokyo

image : Lorsque les lits de sable (a) et les gels (b) sont déstabilisés, des instabilités de type « doigté » similaires se forment au fil du temps (de gauche à droite).Voir plus

Crédit : Université métropolitaine de Tokyo

Tokyo, Japon – Des chercheurs de l'Université métropolitaine de Tokyo ont identifié des similitudes clés entre le comportement des matériaux granulaires et celui des gels fondants. Ils ont découvert que les lits de sable qui tombent partagent le même mécanisme de déstabilisation que la gélatine fondante lorsqu'elle est chauffée par le bas, en particulier la façon dont les paramètres clés évoluent avec l'épaisseur de la région fluidisée. Leurs découvertes constituent d’importantes avancées dans notre compréhension de la déstabilisation par gravité, comme en témoignent 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 les choses changent lorsque l’on s’intéresse à leurs propriétés physiques. Le sable est constitué de milliards de grains de matière solide, qui peuvent se déverser comme un liquide et boucher les tuyaux comme un solide. Les matériaux gélifiants tels que les solutions de gélatine se déversent comme un liquide à haute température, mais acquièrent soudainement des propriétés semblables à celles d'un solide lorsqu'ils sont refroidis. En regardant les détails microscopiques, on constate que la solidité des gels repose sur des réseaux de polymères ou de protéines qui sillonnent un matériau ; cela ressemble à la façon dont les « chaînes de force », des réseaux de grains se poussant les uns sur les autres, donnent naissance à l'apparente solidité du sable. Cette fascinante jonction de comportements solides et liquides constitue l’épine dorsale de nombreux phénomènes naturels comme les avalanches et les glissements de terrain, mais elle 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 au fur et à mesure de leur fluidisation. Ils ont observé la fluidisation de minces lits de solutions de sable et de gélatine à l’aide de caméras à haute vitesse. Pour le sable, des lits de grains préformés dans l'air ou dans l'eau ont été inversés et observés lorsque la base commence à tomber. Pour la gélatine, deux couches avec des concentrations différentes de gélatine ont été préparées, l'une sur l'autre. Les concentrations ont été choisies de manière à ce que la couche inférieure se fluidise complètement en premier. Lorsque le matériau est chauffé par le bas, la couche supérieure se déstabilise et commence à tomber.

Dans les deux systèmes, l’équipe a découvert des instabilités de doigté, où de fins doigts de matériau tombent dans le matériau (ou dans l’air/l’eau) en dessous, ressemblant à des gouttelettes de pluie tombant sur une fenêtre. Au fil du temps, de nouveaux doigts apparaîtraient entre ceux existants et l’interface entre les parties liquides et solides disparaîtrait. En utilisant une technique d’imagerie spéciale, l’équipe a également pu identifier une région d’interface « fluidisée » au-dessus de l’endroit où commencent réellement les doigts. 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 pourraient être liés à un niveau plus profond à travers leurs mécanismes. Dans ce cas, cela constitue une preuve solide de la manière 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 manière dont les matériaux granulaires et les gels se déstabilisent sous l'effet de la gravité, avec des implications à la fois sur les phénomènes de fluidisation dans la nature et sur la conception de systèmes de transport de matériaux granulaires à l'échelle industrielle.

Ce travail a été soutenu par les subventions JSPS KAKENHI pour les boursiers de recherche JSPS (numéro de subvention 17J03066), les jeunes scientifiques (numéros de subvention 19K23428 et 20K14379) et la recherche scientifique (B) (numéros de subvention JP17H02945 et 20H01874).

Rapports scientifiques

10.1038/s41598-022-10045-x