Actualité de l'ENS de Lyon

Plus un gel contient de solides, plus il l’est lui-même. Ce principe ne suffit cependant pas à expliquer tous les comportements mécaniques observés dans les faits. Une équipe internationale a découvert que les propriétés mécaniques macroscopiques des gels sont dues à des hétérogénéités dans leur structure, héritées de la microstructure singulière que le matériau adopte à l’instant même de sa gélification. Publiés dans Nature Physics, ces travaux établissent pour la première fois un lien quantitatif entre microstructure et propriétés mécaniques macroscopiques des gels particulaires.

Un gel est composé d’une suspension d’objets solides dans un liquide, qui se collent entre eux et forment un réseau percolé. La phase solide parvient à assurer la stabilité de l’ensemble, bien qu’elle soit très minoritaire par rapport à la phase liquide. La fraction volumique, c’est-à-dire la part de matière solide en suspension, contrôle les propriétés mécaniques du gel, telles son élasticité ou sa viscosité sous écoulement. Le phénomène reste intuitif : plus il y a de solide dans un gel et plus il se comporte lui-même comme un solide avec une élasticité élevée. Cependant, différents gels de même fraction volumique ne présentent pas les mêmes propriétés mécaniques, qui dépendent également du protocole de préparation et des interactions entre les objets solides qui composent la microstructure du gel. La grande diversité des résultats expérimentaux suggère que l’origine des propriétés mécaniques viscoélastiques dépend du système étudié, ce qui exclut l’existence d’une origine physique commune. Mieux comprendre le phénomène permettrait par exemple de fabriquer des encres plus efficaces pour l’impression 3D ou d’améliorer les batteries à flux redox des voitures électriques, dont les électrodes se présentent sous forme de gels. Des chercheurs et chercheuses du laboratoire Sols, solides, structures, risques (3SR, CNRS/Université Grenoble Alpes), du Laboratoire de physique de l'ENS de Lyon (LPENSL, CNRS/ENS Lyon), de l’université de Georgetown (États-Unis) et du Massachusetts Institute of Technology (MIT, États-Unis) ont montré pour la première fois comment la microstructure des gels dicte leurs propriétés mécaniques. Ce principe s’applique à tous les gels colloïdaux particulaires et permet de proposer une description unificatrice qui rationalise les différentes observations expérimentales.

Tout commence avec le point de gélification : quand suffisamment d’éléments solides se sont collés au hasard pour former une structure tortueuse traversant l’ensemble de l’échantillon. Cette structure présente une topologie singulière fractale, en forme de branche, à laquelle s’agrègent d’autres éléments solides au fur et à mesure du processus de gélification. Cette microstructure semble alors disparaître au fur et à mesure que l’on s’éloigne du point de gélification. Grâce à des simulations de dynamiques moléculaires, ces travaux indiquent que le gel garde en fait une certaine mémoire de cette microstructure originelle. L’agencement de certaines hétérogénéités fractales dans la structure globale du gel permet en effet de retrouver la forme exacte de la structure présente au point de gélification, et ces mêmes hétérogénéités microscopiques contrôlent les propriétés mécaniques macroscopiques du gel. L’équipe a également proposé une description théorique de leur réponse viscoélastique et obtenu une formule analytique qui lie la microstructure et l’élasticité d’un gel mature à ses propriétés au point de gélification. Les chercheurs et chercheuses comptent à présent observer le rôle de cette microstructure originelle lorsque les gels sont fortement déformés jusqu’à être brisés.

Référence : The hidden hierarchical nature of soft particulate gels. Minaspi Bantawa, Bavand Keshavarz, Michela Geri, Mehdi Bouzid, Thibaut Divoux, Gareth H. McKinley et Emanuela Del Gado. Nature Physics, 4 mai 2023.
DOI : 10.1038/s41567-023-01988-7

Article disponible sur la base d'archives ouvertes ArXiv, DOI : 10.48550/arXiv.2211.03693