La matière granulaire vue en un clin d'?il

Même dans notre monde moderne hautement technologique, il n'est pas possible de prévoir quand, par exemple, des éboulements, comme ceux qui se sont produits récemment dans les Grisons, ou des tremblements de terre vont se produire et comment ils vont se dérouler en détail. Cela s'explique notamment par le fait que les scientifiques n'ont encore qu'une compréhension partielle du comportement des éboulis et du sable, qui plus est en interaction avec l'eau ou les gaz, malgré de longues années de recherche.

Des chercheurs de l'ETH Zurich autour de Christoph Müller du Département de génie mécanique et des procédés et de Klaas Prüssmann de l'Institut de génie biomédical de l'ETH Zurich et de l'Université de Zurich ont maintenant développé, en collaboration avec des collègues de l'Université d'Osaka au Japon, une nouvelle méthode d'investigation qui pourrait à l'avenir faciliter considérablement l'étude de tels phénomènes. De nombreux phénomènes naturels et catastrophes naturelles pourraient ainsi être mieux compris et prédits.

Poudres et grains dans l'industrie chimique

Les systèmes granulaires - terme générique désignant tout ce qui ressemble à des grains ou à des poudres - ne jouent pas seulement un r?le central dans la nature. Ils sont également importants dans les applications pratiques, par exemple dans l'industrie chimique, où les trois quarts des matières premières se présentent sous cette forme. On y est souvent confronté au problème de l'interruption des processus de production, par exemple en raison d'une accumulation ou d'une ségrégation imprévue et mal comprise des matériaux granulaires utilisés.

"Même une petite augmentation de l'efficacité des processus de production gr?ce à l'amélioration des connaissances permettrait d'y réaliser d'énormes économies d'énergie", explique Alexander Penn, doctorant dans le groupe de travail de Müller et Prüssmann. Mais si l'on veut par exemple étudier ce qui se passe lorsqu'on mélange différentes particules ou qu'on les fait réagir avec des gaz dans des réacteurs dits à lit fluidisé, on se heurte à un problème de taille. Les systèmes granulaires sont en effet opaques, de sorte qu'il est très difficile d'obtenir des informations sur la répartition spatiale exacte des particules et sur leurs mouvements.

Technique médicale pour l'exploration de la matière granulaire

Pour surmonter cet obstacle, les scientifiques ont réintroduit dans la recherche physique une technique aujourd'hui surtout utilisée en médecine : l'imagerie par résonance magnétique (IRM), connue pour son tube étroit dans lequel le patient est poussé pour être examiné.

Dans l'imagerie par résonance magnétique, les ondes radio et les champs magnétiques puissants permettent d'abord d'orienter dans l'espace les moments magnétiques de certains noyaux atomiques d'un tissu ou d'un matériau (que l'on peut se représenter comme de petites aiguilles de boussole). Ensuite, les noyaux atomiques perdent à nouveau cette orientation et émettent à leur tour des ondes radio qui peuvent alors être mesurées. Les résultats des mesures permettent finalement de créer une image tridimensionnelle des positions des noyaux atomiques dans le matériau.

Dans leurs nouvelles expériences, qui viennent d'être publiées dans la revue spécialisée Science Advances, les chercheurs de l'ETH ont ajouté plusieurs antennes radio à un appareil IRM commercial et analysé les données de mesure à l'aide d'un logiciel spécial. Ils sont ainsi parvenus à prendre des instantanés de l'intérieur de systèmes granulaires en mouvement dix mille fois plus rapidement que cela n'était possible jusqu'à présent.

Pour ce faire, les scientifiques ont développé des particules spéciales, constituées de gouttes d'huile d'un millimètre de diamètre enrobées d'agar, qui ont généré un signal de résonance magnétique particulièrement puissant. Ils ont ainsi étudié, entre autres, le comportement de systèmes granulaires traversés par un gaz. En raison de l'écoulement du gaz, le milieu granulaire normalement solide prend le caractère d'un liquide. Des bulles de gaz peuvent s'élever dans ce système granulaire "fluidisé", se diviser ou fusionner entre elles. Jusqu'à présent, il n'était pas possible d'étudier de telles bulles en temps réel.

Gr?ce à la nouvelle technique d'investigation des chercheurs zurichois, il est désormais possible de réaliser des images de l'intérieur de la matière granulaire avec une résolution temporelle inférieure à un centième de seconde. De plus, gr?ce à une analyse judicieuse des signaux de résonance magnétique, il est possible de mesurer les vitesses des particules et d'obtenir ainsi des informations supplémentaires sur la dynamique de ces systèmes complexes.

Applications dans le CO₂-La séparation des particules

Les applications possibles des connaissances acquises gr?ce à cette nouvelle technique sont nombreuses. Les chercheurs prévoient notamment de vérifier précisément les modèles théoriques existants pour les systèmes granulaires et de les améliorer si nécessaire. Il s'agit par exemple de la ségrégation spontanée des mélanges granulaires avec des particules de différentes tailles, qui peut poser problème dans les applications industrielles, ainsi que de la stagnation soudaine ("jamming") des systèmes en écoulement. La formation de bulles dans les systèmes granulaires traversés est importante pour les procédés dans lesquels un gaz doit réagir chimiquement le plus fortement possible avec les composants des particules. De tels procédés sont par exemple utilisés pour la séparation du dioxyde de carbone, qui devrait permettre à l'avenir de lutter contre le changement climatique. Ici aussi, une meilleure compréhension des processus physiques pourrait conduire à une plus grande efficacité et à des économies d'énergie importantes.