Un changement de paradigme dans la dynamique des fluides
ZURICH – Depuis des siècles, la distinction fondamentale entre solides et liquides est claire : les solides se brisent, les liquides s'écoulent. Mais une découverte révolutionnaire réalisée par des chercheurs de l’Institut polytechnique de Zurich (ZPI) remet en question ce principe fondamental. Dans une série d'expériences méticuleusement contrôlées, les scientifiques ont observé que des liquides ordinaires, lorsqu'ils étaient soumis à des forces spécifiques, se brisaient, provoquant une fracture soudaine et brutale généralement associée aux matériaux solides.
Publiés cette semaine dans la prestigieuse revue Nature Physics, les résultats bouleversent des hypothèses de longue date sur la mécanique des fluides. Le Dr Lena Petrova, auteur principal et professeur de science des matériaux au ZPI, décrit le phénomène comme à la fois surprenant et profondément significatif. "Nous avons toujours compris que les liquides se fluidifient, s'étirent et finissent par se séparer en gouttelettes ou en jets sous tension", a expliqué le Dr Petrova lors d'une conférence de presse mardi. « Voir un liquide se fendre soudainement, presque instantanément, comme s'il s'agissait d'un morceau de plastique ou de métal fragile, nous oblige à repenser complètement la dynamique interne de ces substances quotidiennes. Ils se sont concentrés sur des liquides très visqueux, en particulier un mélange exclusif de poly(diméthylsiloxane) et une huile de silicone de poids moléculaire élevé avec une viscosité supérieure à 100 000 centistokes (cSt). Les liquides ont été aspirés dans des canaux microfluidiques d'à peine 50 micromètres de large et soumis à des forces de traction rapidement croissantes, dépassant 100 kilopascals (kPa).
« Ce que nous avons vu n'était pas le rétrécissement et l'amincissement progressifs auxquels nous nous attendions », a expliqué le Dr Petrova, affichant une vidéo au ralenti. "Au lieu de cela, à un point de contrainte critique, une ligne de fracture nette s'est propagée à travers le liquide, créant deux surfaces distinctes et nettement définies. C'était incroyablement précis, presque chirurgical." La fracture s’est produite en quelques microsecondes seulement, ne laissant pas le temps au liquide de se déformer ou de s’écouler au sens conventionnel du terme. Cette séparation rapide imite fortement la fracture fragile observée dans les solides, où les liaisons sont rompues sur un plan plutôt que étirées et réarrangées.
La torsion visqueuse : remettre en question les vieux paradigmes
L'équipe ZPI a déterminé que ce comportement de cassure n'est pas motivé par l'élasticité, comme on pourrait le supposer intuitivement. L’élasticité est la capacité d’un matériau à reprendre sa forme originale après avoir été déformé, une propriété plus communément associée aux solides caoutchouteux ou aux fluides viscoélastiques qui présentent à la fois des caractéristiques liquides et solides. Au lieu de cela, les recherches du Dr Petrova indiquent que la viscosité – la résistance d'un liquide à l'écoulement – est le principal facteur.
"Nos modèles suggèrent que dans ces liquides très visqueux, soumis à un étirement rapide et intense, la friction et l'enchevêtrement moléculaires internes accumulent des contraintes plus rapidement que les molécules ne peuvent se réorganiser en s'écoulant", a déclaré le Dr Kai Bergman, co-auteur et physicien théoricien du projet. "Essentiellement, le liquide devient "bloqué" au niveau moléculaire, et lorsque la force devient trop importante, la structure échoue de manière catastrophique, conduisant à une fracture plutôt qu'à une séparation en douceur. Il s'agit d'une rupture fragile provoquée par la viscosité, un concept que l'on croyait auparavant impossible pour les vrais liquides. " Cette découverte remet fondamentalement en question la compréhension classique de la mécanique des fluides, qui prédit en grande partie la déformation et l'écoulement continus sous contrainte.
Au-delà du laboratoire : implications dans le monde réel
Les implications de cette découverte s'étendent bien au-delà des limites d'un laboratoire de recherche. Des secteurs allant de la fabrication de pointe à l’ingénierie biomédicale pourraient connaître des changements importants dans la manière dont ils manipulent et traitent les matériaux. Par exemple, les processus impliquant l'extrusion de polymères hautement visqueux, l'application de revêtements spécialisés ou même l'impression 3D de précision avec des résines liquides pourraient être optimisés ou repensés grâce à cette nouvelle compréhension.
"Imaginez un scénario en microfluidique où vous devez séparer avec précision un minuscule volume de liquide sans aucun fil résiduel, ou en fabrication additive où le contrôle du point de rupture exact d'un jet de polymère pourrait conduire à une résolution sans précédent", a suggéré le Dr Petrova. «Cela ouvre également de nouvelles voies pour comprendre des phénomènes naturels, comme le comportement du magma sous pression extrême ou la dynamique de certains fluides biologiques.» La capacité de prédire et potentiellement de contrôler cette fracture liquide pourrait conduire au développement de nouveaux matériaux dotés de propriétés de rupture adaptées ou de processus industriels plus efficaces.
La voie à suivre pour la dynamique des fluides
L'équipe ZPI étend désormais ses recherches pour étudier une gamme plus large de liquides, y compris les suspensions et émulsions complexes, et pour explorer les effets de la température et de la pression sur ce phénomène de fracture. Ils prévoient également de développer des modèles théoriques plus sophistiqués pour capturer pleinement les interactions moléculaires complexes en jeu. Cette découverte marque une étape importante, incitant les scientifiques à revoir les théories fondamentales de la matière et conduisant potentiellement à une nouvelle classe d'ingénierie des matériaux.
