De la digitation visqueuse à la fracture – F2F

Il s'agit d'un projet de recherche fondamental.

La transition vitreuse, conduisant à la formation des solides amorphes, est mal comprise. Au court des dix dernières années, le ralentissement de la dynamique des systèmes vitreux et des suspensions colloidales concentrées a été associé à l'existence d'hétérogénéités dynamiques.

Nous proposons d'étudier les effets de ces hétérogénéités sur les propriétés mécaniques des matériaux : comment cassent-ils lorsqu'ils sont proche de la transition vitreuse. Les fractures dans les verres été très étudiées. Des résultats récents portant sur des échelles nanométriques suggèrent que la ductilité ou la fragilité de ces matériaux ne pourraient être qu'une question d'échelle.

Un défi essentiel est de déterminer le rôle des hétérogénéités dynamiques sur la physique de ces fractures. D'une certaine manière, à température ambiante, la zone située à la pointe de la fissure peut jouer le rôle d'un "nanolaboratoire" où le passage du matériau (au voisinage de cette zone) d'un état vitreux vers un état liquide hors d'équilibre pourrait être étudié et mieux compris. Si la température augmente vers la température de transition vitreuse, cette zone doit grossir ainsi que ce "nanolaboratoire", facilitant les observations. Les expériences proposées ici peuvent ainsi apporter d'importants éléments de réponses à la question controversée de la ductilité du verre.

Nous allons tirer profit de l'instabilité de Saffman-Taylor pour amplifier des fluctuations microscopiques et les hétérogénéités. Cette instabilité est bien documentée : lorsqu'un liquide (confiné entre deux plaques parallèles) est poussé par un liquide moins visqueux, l'interface entre ces fluides est instable : des figures en forme de doigts se forment.
Par ailleurs, l'injection d'un liquide sous pression dans un solide provoque systématiquement une fracture (fracture hydraulique).
Ainsi, pour l'instabilité de Saffman-Taylor, si le liquide plus visqueux est progressivement refroidi dans le domaine de la transition vitreuse, on s'attend à ce que les digitations deviennent des fractures.
Nous comptons étudier trois systèmes complémentaires : des verres moléculaires, des suspensions colloidales vitreuses, et des fluides viscoelastiques moldèles. L'objectif est d'obtenir, par une compraison systèmatique, une image complète de la transition fragile-ductile pour une large gamme de matériaux non cristallins.
Les verres moléculaires occupent une place importante dans l'industrie et en Physique. Les suspensions colloïdales, constituées de plus grosses particules, se prêtent aux techniques optiques telles la microscopie confocale ou la diffusion dynamique de lumière. Il est ainsi possible d'obtenir des informations complémentaires et précieuses sur la dynamique et la structure microscopique d'un système vitreux en situation de fracture.
La réponse mécanique des fluides viscoélastiques présente des analogies avec celle d'un verre : élasticité aux hautes fréquences, écoulement aux basses fréquences. Ces fluides peuvent donc servir de systèmes de références. Une étude préliminaire nous a d'ailleurs permis de montrer qu'il existe, pour ces fluides, une transition entre digitation et fracture.

Un tel programme expérimental sera une première, à la fois dans la communauté scientifique des verres et de la fracture. Il profitera de la combinaison des compétences expérimentales et théoriques des participants dans les domaines de la transition vitreuse, la rupture, les fluides complexes, les instabilités et rhéologie. Il devrait conduire à une meilleure compréhension (i) des modifications des propriétés mécaniques à la transition vitreuse, (ii) des processus de rupture à proximité de la transition ductile-fragile.

Les résultats obtenus seront publiés dans des revues scientifiques internationale et exposés lors de conférences nationales et internationales.