Physique des billes de gaz : du film granulaire à l'empilement – PhyGaMa

La description physique des billes de gaz aux différentes échelles et pour différents régimes de sollicitation a pour but de faire le lien entre la microstructure et le comportement global du matériau et d’identifier les mécanismes physiques dominant les interactions entre les grains au sein de la coque : la capillarité, les contacts entre grains et la dissipation visqueuse (dans le film liquide et aux interfaces liquide/gaz). Pour aborder ces questions, nous menons des expériences où les paramètres des phases continue et dispersée sont contrôlés afin de révéler les principales caractéristiques physiques de ces nouveaux objets. Au niveau mésoscopique, nous souhaitons comprendre le lien entre le réseau de particules et le comportement des membranes des billes de gaz soumis à différentes sollicitations.

Pour cela nous avons effectué des expériences d'éclatement de film granulaire et pincement par étirement d'un film granulaire annulaire et enfin rhéométrie classique. Cette dernière étude a été couplée à la rhéométrie de radeau granulaire pour mettre en évidence la spécificité d'un film par rapport à un radeau.

Enfin, en route vers l’échelle macroscopique, nous avons pour premier objectif de créer des billes de gaz à propriétés contrôlées, et pour second de corréler le comportement statique d'une bille de gaz et d’un assemblage de billes de gaz aux propriétés de la membrane et / ou de la coque.

Grâce au développement à l’échelle centimétrique d’une balance à film classiquement réalisée à l’échelle millimétrique, on a pu contrôler la pression liquide dans un film granulaire (film liquide chargés de particules sphérique d'une centaine de micron de diamètre). Des expériences de rupture ponctuelle provoquée montrent qu’il existe une dépression liquide seuil au-delà de laquelle le film n’éclate pas [Retailleau 2023]. Dans le cas où le film granulaire éclate en quelques milliseconde, l’étude dynamique met en évidence le caractère dual liquide et solide d’un film granulaire au cours d'un même évènement : l’ouverture au temps court est décrite par un équilibre entre la tension de surface et une dissipation visqueuse intrinsèque, l’ouverture au temps long s’apparente à la fracturation d’une membrane élastique. Des premières études de vibration ont permis de montrer que pour des pressions liquides proches de la pression atmosphérique, un film granulaire peut être décrit comme une membrane tendue dont la tension est proche de deux fois la tension de surface des interfaces liquide-air.

Lorsqu’ils sont soumis à un cisaillement simple, les films granulaires se comportent comme des milieux granulaires attractifs et peuvent être décrits par une loi de friction généralisée dans laquelle la pression de confinement est la pression capillaire. Cisaillé dans un large entrefer, ils présentent une région en écoulement visqueux et une région plastique dite quasistatique. Nous avons montré que la dynamique de réarangement dans la région plastique était contrôllée par l’équilibre entre les contraintes capillaires et la dissipation visqueuse dans les interfaces liquide/air [Lalieu 2023-a]. Le comportement des radeaux granulaires pour lesquels les particules ne traversent qu’une interface est similaire, mais la transition entre les régimes d’écoulement visqueux et plastique à lieu pour une contrainte de cisaillement 100 fois plus faible que pour les films [Lalieu 2023-b].

La rhéologie extensionnelle des films granulaires est explorée par l’étirement d’une caténoïde qui se déstabilise au-delà d'une hauteur critique par pincement en quelques milliseconde. La dynamique de pincement se caractérise par une décroissance exponentielle du rayon miminum de la caténoïde au cours du temps quand la dissipation visqueuse du film devient supérieure à celle de l'air évacué. Une viscosité effective du film granulaire peut alors être déduite et permet une modélisation quantitative de la vitesse d'éclatement d'un film granulaire.

Enfin, afin de créer des matériaux aérés multi échelle structurés, on réalise des billes de gaz résultant de l’encapsulation d’air par un film granulaire. Nous montrons qu’on peut réaliser une empilement compacte de billes de gaz réalisé avec des films d’hydrogel.

Dans la perspective d’explorer de nouveaux modes de propagation couplés et d’ouvrir la voie vers de nouveaux amortisseurs de vibrations, les propriétés dynamiques des billes de gaz et d'un empilement de billes de gaz seront étudiées par propagation d’ondes et interprétées en fonction des propriétés d’amortissement des films granulaires et de l’assemblage des billes de gaz.

Par ailleurs, les deux techniques mises au point pendant ce projet (balance à film et rhéologie de film en Couette cylindrique) seront couplées pour réaliser des mesures rhéologiques de film granulaire à pression liquide contrôlée.

a venir ...

Des recherches menées dans la continuité des travaux précurseurs de Pickering ont récemment permis de produire de nouveaux objets pouvant être décrits comme des poches de gaz dans l’air, nommés : bille de gaz (gas marble). Ils sont constitués de gaz entouré d'une couche de grains piégés dans un mince film liquide dans un environnement gazeux. La résistance mécanique exceptionnelle de leur coque granulaire leur promet de nombreuses applications. Parmi celles-ci, nous notons que l'utilisation de billes de gaz peut être pertinente pour la génération de matériaux de porosité hiérarchique. De plus, ces nouvelles billes creuses, une fois assemblées, offrent une voie prometteuse vers de nouveaux amortisseurs de vibrations. Dans cette proposition, notre objectif est d'étudier la physique de ce nouveau matériau.
Dans un diagramme ternaire (solide-liquide-gaz), les billes de gaz partagent le domaine des hautes fractions volumique de gaz, faibles fractions volumique de solide et très faibles fractions volumique de liquide avec d'autres matériaux ternaires déjà bien connus: les matériaux granulaires humides (non saturés), les mousses de Pickering et les mousses granulaires. À l'échelle microscopique, trois mécanismes physiques sont à l'origine des interactions (éventuellement multicœurs) entre les grains: la capillarité, les contacts entre grains et la dissipation visqueuse (dans le film liquide et aux interfaces liquide/gaz). Les échelles de temps, de longueur ainsi que la répartition des grains diffèrent d'un système à l'autre, mais les questions que leur existence soulèvent sont les mêmes : Comment la microstructure de la phase dispersée et les interactions à l'échelle microscopique sont-elles liées et affectent-elles le comportement global du matériau? Constituent-ils une même classe de matériaux dans le sens où ils obéissent aux mêmes lois de comportement mais avec des paramètres d'état différents définis par la physique à l'échelle microscopique ?
L'étude des billes de gaz permettrait de donner de nouvelles réponses à ces questions et de proposer une vision unifiée du sujet. Pour aborder ces questions, nous mènerons des expériences aux différentes échelles du matériau où les paramètres des phases continue et dispersée seront contrôlés afin de révéler les principales caractéristiques physiques de ces nouveaux objets.
Au niveau mésoscopique, nous souhaitons comprendre le lien entre le réseau de particules et le comportement des membranes des billes de gaz soumis à différentes sollicitations : forçages global et local, vibrations et enfin rhéométrie classique. Dans le régime quasi statique, nous étudierons l’influence de la pression capillaire sur l’élasticité de la membrane et du réseau granulaire en termes de fraction surfacique de particules, nombre de voisins et coefficient d’agrégation. En régime dynamique, le rapport entre la dissipation par contact entre grains et la dissipation interfaciale ou visqueuse sera abordée.
Enfin, en route vers l’échelle macroscopique, nous avons pour premier objectif de créer des billes de gaz à propriétés contrôlées, et pour second de corréler le comportement statique d'une bille de gaz et d’un assemblage de billes de gaz aux propriétés de la membrane et / ou de la coque.
Enfin, les propriétés dynamiques des billes de gaz et d'un empilement de billes de gaz seront étudiées par propagation d’ondes et interprétées en fonction des propriétés d’amortissement des films granulaires et de l’assemblage des billes de gaz . La structure multi-échelle et ternaire du matériau pourrait révéler différents modes de propagation de couplés (propagation des ondes dans l'air et dans le squelette granulaire).