La science bizarre derrière l’oobleck (eau + amidon de maïs)

Leobleck, nommé d’après une substance gluante tombée du ciel dans une histoire du Dr Seuss et omniprésent dans les foires scientifiques des écoles primaires, n’est qu’une solution épaisse d’amidon de maïs dans l’eau. Mais ce n’est pas aussi simple qu’il n’y paraît.

C’est un fluide « non-newtonien » qui ne réagit pas aux forces extérieures comme on pourrait s’y attendre. Plus vous le remuez, plus il devient épais et plus il résiste à votre agitation. Frappez-la assez fort, disons avec un marteau, et elle durcit instantanément au point de se briser.

YouTube est rempli de vidéos de personnes courant sur des piscines remplies de cette substance gluante. La pression d’un pied frappant la surface fait que le liquide s’épaissit sous lui suffisamment pour soutenir le coureur.

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Maintenant, les physiciens sont en mesure d’expliquer comment cela fonctionne.

Le phénomène qui permet à l’oobleck de faire ce qu’il fait est appelé « épaississement par cisaillement », un processus qui se produit dans les matériaux constitués de particules solides microscopiques en suspension dans un fluide. Les exemples incluent la boue de forage utilisée dans les puits de pétrole et le fluide utilisé pour coupler les transmissions automobiles aux roues.

Un type de gilet pare-balles utilise une solution de particules de polymère imbibées de fibre poreuse ; ordinairement flexible, mais l’impact d’une balle la rend solide. L’épaississement par cisaillement est un défi dans de nombreux processus industriels où l’objectif est d’obtenir un écoulement fluide des fluides.

Des décennies de débat

Même dans le système le plus simple de particules en suspension dans un liquide, cependant, il y a toujours un débat sur le mécanisme d’épaississement. Une théorie proposée est que la friction entre les particules solides les enferme dans des configurations qui résistent à l’écoulement ; l’autre est que, lorsque les particules sont poussées plus près, la résistance de l’écoulement du liquide entre elles ralentit leur mouvement et enferme les particules dans des amas.

Le débat se poursuit depuis des décennies parce qu’il n’existe aucun moyen d’observer directement ce qui se passe à l’échelle nanométrique.

Alors Itai Cohen, professeur associé de physique à l’Université Cornell, a imaginé une expérience dans laquelle le comportement dans le monde quotidien révèle ce qui se passe au plus profond de soi. Les résultats sont publiés dans Physical Review Letters.

Ce qui se passe réellement

Si le fluide poussé hors d’entre les particules est ce qui ralentit le mouvement, ont raisonné les chercheurs, alors lorsque la force de cisaillement est inversée, elle génère la même résistance puisque le fluide doit s’écouler à nouveau.

Si ce sont juste des particules solides qui se heurtent les unes aux autres, alors dès que la force de cisaillement est relâchée, la contrainte de contact entre elles disparaît. La réponse immédiate à un changement soudain de la force de cisaillement répondra à la question.

Pour observer cet effet, ils ont employé « l’inversion du cisaillement », en utilisant un appareil qui insère une sonde dans un fluide de test et le cisaille juste assez longtemps pour provoquer un épaississement, puis s’inverse rapidement pour tirer dans la direction opposée.

Des capteurs délicats sur l’arbre mesurent la résistance instantanée du fluide à être poussé ou tiré. Ils ont utilisé une suspension de « qualité laboratoire » de microparticules sphériques pour isoler les effets des interactions entre les particules.

L’expérience a montré qu’il y avait une résistance négligeable en tirant en arrière. Cela signifie que si le liquide s’écoule effectivement lorsque les particules se rapprochent et revient lorsqu’elles se séparent, la force résultante ne tient pas compte de la résistance réelle à l’épaississement. La force de contact domine, donc la friction entre les particules est le principal mécanisme d’épaississement par cisaillement.

« Connaissant le mécanisme sous-jacent, nous pouvons concevoir des processus industriels pour mieux manipuler ces fluides et pouvons « accorder » les propriétés d’un fluide en ajustant la friction des microparticules », explique Neil Lin, étudiant diplômé et premier auteur de l’article. Une autre façon de régler l’effet est de faire varier la concentration des nanoparticules, de sorte que « nous avons maintenant deux boutons à tourner ».

Des chercheurs de l’université d’Édimbourg sont coauteurs de l’étude. La National Science Foundation a soutenu le travail.