Comment vieillissent les pâtes et les suspensions colloïdales

Publié par Adrien le 31/03/2020 à 09:00
Source: CNRS INSIS
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Une équipe du laboratoire Navier, en collaboration avec l'université du Delaware (Etats-Unis), a identifié un nouveau processus responsable du vieillissement des suspensions colloïdales au repos: la rigidification progressive des contacts entre les particules en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de...). Ces résultats, qui ouvrent la voie à un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) du vieillissement (La notion de vieillissement décrit une ou plusieurs modifications fonctionnelles diminuant...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) de ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) dans de multiples applications, sont publiés dans la revue Nature Materials.


Assemblage de particules soumis à une flexion avec des pinces optiques: observation et reconstitution tridimensionnelle.
© Francesco Bonacci

L'argile, le ciment (Le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) est une matière...) frais, mais aussi de nombreux matériaux dans les industries chimiques, agroalimentaires, pharmaceutiques et cosmétiques, se présentent sous la forme de pâtes ou de suspensions denses de particules de tailles inférieures à quelques microns (colloïdes).

Le vieillissement mécanique de ces matériaux au repos, qui se traduit par une augmentation de leur module élastique, est habituellement expliqué par une réorganisation de l'arrangement géométrique de leurs constituants. Or, une équipe du laboratoire Navier (CNRS/Ecole des Ponts-Université Gustave Eiffel), en collaboration avec l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) du Delaware (Etats-Unis), a montré que le vieillissement peut être observé en l'absence de toute modification de la microstructure. Dans ce cas un autre processus explique le vieillissement mécanique des pâtes au repos: la rigidification progressive des contacts entre les particules de la suspension colloïdale. Pour le mettre en évidence, les chercheurs ont combiné des essais de rhéométrie, des observations en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) confocale et des tests mécaniques à l'échelle des particules en utilisant des pinces optiques.

Des mesures effectuées pour une suspension dense de particules de silice (de tailles comprises entre 0,5 à 1,9 micromètres) ont montré que son module de cisaillement augmente de manière quasi-logarithmique au cours du temps, alors que sa structure géométrique reste figée. Par ailleurs, à l'aide de pinces optiques, des tests de flexion ont été réalisés sur des assemblages de particules formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) des bâtonnets. Résultat: la rigidité en flexion des contacts entre particules croit elle-aussi de manière quasi-logarithmique, sur la même échelle de temps. Ces observations ont conduit les scientifiques à attribuer le vieillissement de la suspension à la rigidification progressive des contacts entre les particules. Des résultats similaires ayant été obtenus avec des suspensions de particules de PMMA, ce processus de vieillissement par contact semble donc générique dans les suspensions denses, et pourrait concerner toute une série de matériaux d'intérêt pratiques, comme les ciments au jeune âge (avant la prise), les sédiments, la céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre),...), les boues d'épuration, les résidus miniers, etc. A terme, il serait donc possible de régler le vieillissement mécanique des matériaux dont on contrôle la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) en adaptant la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) des particules ou encore de mieux prédire le comportement de matériaux naturels.

Dans le prolongement de ces résultats, l'équipe du laboratoire Navier veut maintenant s'intéresser aux mécanismes à l'origine de cette rigidification progressive des contacts entre particules. Elle va aussi explorer d'autres propriétés mécaniques de ces suspensions, telle la plasticité. Enfin, le processus observé va faire l'objet d'une simulation discrète, avec l'ambition d'établir un modèle prédictif du processus de vieillissement.

Référence
Contact and macroscopic ageing in colloidal suspensions,
F. Bonacci, X. Chateau, E. M. Furst, J. Fusier, J. Goyon and A. Lemaître.
Nature Materials (2020)
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0624-9.
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