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Le mystère de l’élasticité des gels enfin élucidé

Posté le par Arnaud Moign dans Matériaux, Biotech & chimie

Cela peut paraître incroyable, mais jusqu’à présent, le monde scientifique était incapable d’expliquer le phénomène physique derrière l’élasticité d’un gel. C’est maintenant un mystère en partie résolu grâce à une équipe de chercheurs américains.

Les gels sont des matériaux particuliers. On les considère comme des matériaux semi-solides, car ils se comportent comme des fluides, mais contiennent également une forte proportion de particules solides. Bien que mal compris, ces matériaux sont pourtant partout : dentifrice, yaourt, produits cosmétiques, pharmaceutiques, etc.

Le comportement étrange des gels

Quand on examine un gel au microscope, on s’aperçoit que les particules solides qu’ils contiennent forment un réseau, exactement comme la structure d’un bâtiment. Si vous désirez étaler ce gel, il vous faudra écraser son squelette solide. Les gels plus fluides ont ainsi un module élastique faible, car la force à appliquer pour casser la structure est réduite, alors que les gels plus rigides demandent une force plus grande pour redevenir fluides.

Les agglomérats de particules seraient en cause

On sait donc partiellement pourquoi les gels sont élastiques : c’est leur microstructure qui en est responsable. Cependant, les scientifiques n’ont jamais su expliquer comment ces structures s’arrangent. C’est donc tout l’intérêt de la découverte de cette équipe de chercheurs appartenant aux prestigieuses universités américaines du Delaware, du Massachusetts Institute of Technology, de Caroline du Nord et du Michigan : l’élasticité des gels serait due à la présence d’agglomérats de particules qu’ils ont baptisés “locally glassy clusters”.

Une étude concernant les gels acryliques

L’étude publiée dans le magazine Nature concernait un gel fabriqué à partir de particules de polyméthacrylate de méthyle (PMMA), dispersées dans un mélange de cyclohexane et de bromocyclohexane. Ils ont ainsi découvert que ce gel était composé d’agglomérats vitreux de particules, connectées entre elles et séparées par des zones fragiles. L’équipe de scientifiques a donc cherché à déterminer les limites de ces chaînes d’agglomérats afin de mieux les comprendre. Les chercheurs ont utilisé des simulations numériques et appliqué la théorie des graphes pour comprendre les connexions entre agglomérats. Ils ont ensuite comparé ces résultats à des études physiques, ce qui leur a permis de confirmer leurs prédictions : l’agencement de ces agglomérats détermine le module élastique du gel.

Une découverte industriellement exploitable

Les entreprises qui formulent et vendent des matériaux sous forme de gel sont nombreuses. Néanmoins, elles rencontrent fréquemment des difficultés à créer des produits stables, dont la rigidité reste constante. Ainsi, de nombreux produits du quotidien vendus comme des gels ont souvent tendance à revenir vers un état liquide sans que les industriels sachent expliquer pourquoi. L’équipe de scientifiques américains espère ainsi que les résultats de leur récente étude aident les ingénieurs à formuler des agglomérats de particules de granulométrie maîtrisée afin de mieux contrôler la coulabilité, la dureté et la stabilité des gels.

Pour aller plus loin

Posté le par Arnaud Moign


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