À partir de quelle taille des grains peuvent-ils former un tas stable ?

Du comportement liquide au tas de grains stable

Les milieux granulaires, comme le sable, sont formés d’une multitude de grains individuels, ce qui leur donne des propriétés mécaniques particulières à mi-chemin entre les liquides et les solides. Une caractéristique qui les différencie des liquides simples est leur capacité à former un tas mécaniquement stable, là où un liquide s’écoulera toujours. Cette propriété est quantifiée par l’angle de talus, c’est-à-dire l’angle que forme la surface du tas avec l’horizontale. Il correspond à l’inclinaison maximale que peut atteindre le tas avant qu’un écoulement ne se produise à sa surface. Pour la plupart des matériaux courants, l’angle de talus est d’environ 20° à 30°, et l’angle minimal mesuré jusqu’alors est d’environ 6°.[1]

En revanche, lorsque l’on considère des grains suffisamment petits pour être sensibles à l’agitation thermique, c’est-à-dire aux mouvements désordonnés provoqués en permanence par l’agitation des molécules du liquide environnant, comme c’est le cas dans les suspensions colloïdales, cet angle de talus s’annule complètement. Il n’est alors plus possible de former un tas : on dit que leur seuil d’écoulement est nul.[2]

Une question restait mystérieuse : à partir de quelle taille critique une suspension de grains est-elle capable de former un « tas » stable ? La difficulté principale pour répondre à cette question est de devoir travailler avec des particules de petite dimension, l’effet de l’agitation thermique se faisant en général ressentir pour des systèmes dont la taille caractéristique est le micromètre.

En utilisant des dispositifs microfluidiques et des techniques de vidéo-microscopie, une équipe de physiciens de l’ILM a mesuré l’angle de talus pour différentes suspensions de microparticules de silice. Ces expériences leur ont permis d’identifier la transition entre des particules qui s’écoulent sans seuil et celles qui peuvent former un tas stable. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters, et a été mis en avant en tant que « Editor’s Suggestion ».

Une taille critique de quelques micromètres

Leur exploration minutieuse de la dynamique d’écoulement a permis de mettre en évidence une taille critique en dessous de laquelle les suspensions se comportent « comme un liquide » et ne présentent aucun seuil d’écoulement.  Pour des particules de 2,8 µm, un tas se forme avec un angle de talus de l’ordre de 0,6°, bien en dessous des 6° qui avaient été mesurés auparavant. Au-delà de cette taille critique, l’angle de talus reste toujours non nul, mais augmente progressivement avec la taille des particules.

Ce travail met en évidence une transition entre deux comportements d’un même matériau : en dessous d’une certaine taille, les particules s’écoulent comme un liquide, tandis qu’au-delà elles peuvent former un tas stable. Les chercheurs ont ainsi mesuré pour la première fois des angles de talus non nuls inférieurs à 6°. Ces résultats permettent de mieux comprendre le passage entre le comportement des suspensions colloïdales et celui des matériaux granulaires, comme le sable.

Référence :