Quand le sable se comporte comme du pétrole

Les matériaux granulaires comme le sable, le riz ou le café jouent un r?le central dans de nombreux processus. Ces matières ne sont pas seulement importantes dans la nature, où elles fa?onnent par exemple le comportement des avalanches ou des dunes de sable, mais aussi dans l'industrie. Lors de la fabrication de médicaments ou de produits alimentaires, il s'agit toujours de traiter les matériaux granuleux le plus efficacement possible.

Malgré la diversité des applications pratiques, on commence à peine à comprendre les lois physiques qui régissent le comportement des matériaux granulaires. Ce qui n'est pas le cas des liquides : Il existe une série de lois physiques bien établies et d'outils mathématiques permettant de décrire leur comportement. Cela vaut en particulier pour les mélanges complexes instables comme les émulsions, qui se réorganisent après peu de temps.

Un nouvel ordre émerge

Des chercheurs du groupe de Christoph Müller, professeur de sciences et techniques de l'énergie à l'ETH Zurich, ont maintenant découvert, en collaboration avec des scientifiques de l'Université Columbia de New York, que les mélanges de matériaux granulaires se comportent, dans certaines circonstances, exactement de la même manière que les mélanges liquides instables et que, dans ces cas, ils peuvent également être décrits avec des lois physiques comparables.

Pour leurs expériences, les chercheurs ont disposé des grains lourds et légers dans différentes configurations dans un récipient étroit. Pendant les expériences, ils ont fait vibrer le récipient tout en laissant passer de l'air par le bas. Gr?ce à ces deux mesures, les grains ont été "fluidifiés", de sorte qu'ils ont commencé à se comporter comme des liquides. De l'extérieur, les chercheurs ont ensuite observé comment les matériaux se réorganisaient dans le récipient au fil du temps.

Structures opposées

Si l'on pose par exemple une couche de sable lourd sur du sable plus léger, les grains légers se déplacent vers le haut sous l'effet de la fluidisation en raison de leur densité plus faible, formant ainsi des structures en forme de gouttes qui rappellent les liquides visqueux. "Les grains se comportent en fait comme le ferait par exemple de l'huile dans de l'eau", explique Christopher McLaren, doctorant dans le groupe de Müller. "Il en résulte une interaction complexe entre les deux matériaux".

Si l'on noie une petite quantité de sable léger dans du sable lourd, le sable léger se déplace plus ou moins vers le haut sous forme de goutte compacte. Dans le cas inverse, en revanche, un modèle plus complexe se forme : une sphère de grains lourds entourée de grains légers ne descend pas simplement vers le bas, fermée sur elle-même. Au contraire, la sphère se divise peu à peu en plusieurs gouttes plus petites et le matériau se ramifie de plus en plus avec le temps.

Des applications multiples

"Nos découvertes sont importantes pour de nombreuses applications", ajoute Alexander Penn, qui a participé aux essais en tant que post-doctorant. "Si l'on veut par exemple produire un mélange de poudres très homogène en pharmacie, il faut comprendre en détail la physique de tels matériaux pour pouvoir bien contr?ler le processus". Les géologues devraient également s'intéresser à ces résultats ; ils les aideront à mieux comprendre les processus de glissements de terrain ou le comportement des sols sableux en cas de séisme.

Enfin, le travail revêt également une certaine importance dans le débat actuel sur l'énergie. "Lorsque l'on analyse les processus industriels, on s'aper?oit qu'une grande partie de l'énergie est utilisée pour le traitement des matériaux granulaires", explique Penn. "Si nous savons comment mieux contr?ler les matériaux granulaires, nous pourrons développer des processus de traitement plus efficaces sur le plan énergétique".