Comprendre la réponse mécanique des mousses en observant les bulles individuelles, c’est possible !

La rhéologie étudie comment les matériaux réagissent à des contraintes mécaniques. Cependant, les techniques classiques fournissent uniquement des informations globales (comme les modules viscoélastiques), sans accéder à ce qui se passe à l’échelle microscopique. Cela limite fortement notre compréhension de certains matériaux complexes comme les matériaux amorphes dits « mous bloqués » ("Soft Jammed"). Ces matériaux tels que les pâtes, les émulsions, les mousses... ont leurs constituants élémentaires (grains, gouttes, bulles …) densément confinés par leurs voisins. Toutefois, sous l’effet d’une sollicitation, ces éléments peuvent se débloquer et se réorganiser, donnant lieu à des déformations très hétérogènes, et des réarrangements structuraux complexes.

Pour mieux capturer ces dynamiques internes, des chercheurs d’une collaboration internationale impliquant trois laboratoires de physique du CNRS (voir ci-dessous) ont développé une nouvelle approche expérimentale baptisée tomo-rhéoscopie, qui combine un dispositif de cisaillement avec de la tomographie aux rayons X 3D résolue en temps, et l’ont appliquée à des mousses liquides. Cette méthode permet, pour la première fois, de suivre individuellement près de 100 000 bulles en mouvement, tout en accédant aux contraintes mécaniques à toutes les échelles, de la bulle unique à l’échantillon de mousse complet. Nous avons ainsi pu établir un lien direct entre les réarrangements microscopiques de la structure (changements de voisinage) et la réponse rhéologique globale. Ces réarrangements s’accompagnent notamment d’une redistribution des contraintes selon un motif quadrupolaire, prédit théoriquement, mais mesuré expérimentalement ici pour la première fois au sein d'un matériau tridimensionnel

Ces recherches ont été menées dans le laboratoire CNRS suivant :

• Laboratoire de Physique de l’ENS de Lyon (LPENSL, CNRS / ENS de Lyon)

• Institut de physique de Nice (INPHYNI, CNRS / Université Côte d'Azur)

• Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (LiPhy, CNRS / Université Grenoble Alpes) 

Cette méthodologie est transposable à d’autres systèmes de la matière molle, ouvrant de nouvelles perspectives pour la modélisation et la compréhension des comportements mécaniques de nombreux matériaux complexes. La tomo-rhéoscopie devrait ainsi devenir un outil de référence pour explorer la mécanique des matériaux amorphes. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications.