Soutenance à l’Amphi Langevin de l’ESPCI, 10 rue Vauquelin, 75005 Paris
Un ensemble dense de particules avec interactions répulsives se bloquent dans un état rigide: sous cisaillement, ces systèmes ont une contrainte seuil avant de céder. Pour des particules sans friction et à température nulle, l’empilement est isostatique à la transition de Jamming. Les propriétés mécaniques et géométriques présentent de nombreuses lois d’échelles critiques avec la distance au Jamming. La généralisation de ce concept en présence de température et son lien avec la transition vitreuse laissent encore de nombreuses questions ou- vertes.
Nous abordons ce problème en étudiant expérimentalement la dynamique des particules et du réseau de force d’un empilement désordonné de disques bi-disperses photo-élastiques vibrés horizontalement, dont nous varions la fraction surfacique à plusieurs amplitudes de vibrations γ.
Au delà d’un lent mouvement convectif d’ensemble, les grains présentent une dynamique complexe —intermittente et hétérogène— à un échelle bien plus petite que la taille typique d’un grain. Ces hétérogénéités dynamiques sont d’amplitude maximale à une densité φ∗(γ).
Le réseau de contacts est marqué par deux signatures distinctes—statique et dynamique— analogues à la phénoménologie de la transition vitreuse. La signature dynamique a lieu à φ∗(γ), si bien que dynamiques des déplacements et des contacts sont liées. En revanche, on identifie la signature statique de la transition de Jamming à une densité plus élevée φJ (γ).
Lorsque l’on diminue l’amplitude de vibration, γ → 0, φ∗(γ) et φJ (γ) se confondent, et l’échelle de longueur des corrélations dynamiques augmente.
Mots-clés : transition de Jamming/blocage – milieux granulaires – phénomène critique – système hors-équilibre – chaînes de forces – réseau de contacts
Dense vibrated granular media: from stuck liquids to soft Solids
At large packing fraction, disordered packings of particles with repulsive contact interactions jam into a rigid state where they withstand finite shear stresses before yielding. For frictionless particles at zero temperature, the Jamming transition coincides with the onset of iso-staticity. Various geometrical and mechanical properties exhibit critical behavior with the distance to Jamming. What vestiges of Jamming remain at finite temperature and how Jamming impacts the thermodynamics of glasses remain open issues.
We address these questions experimentally by investigating the dynamics of both the density field and the forcenetwork of an horizontally shaken bi-disperse packing of photo-elastic disks while varying the packing fraction, φ, at several vibration amplitudes γ. Although disks displacements reveal a slow global convective dynamics, strongly collective and intermittent motions take place on length scale much smaller than the grain diameter. These so-called dynamical heterogeneities are maximum at an intermediate packing fraction φ∗(γ).
The statics and dynamics of the contact network display, respectively, two distinct sharp signatures, which arereminiscent of the glass transition phenomenology, albeit occurring at the contact scale. A dynamical signature occurs at φ∗(γ), and we relate it to the dynamical heterogeneities of the displacements. The static signature occurs at a larger packing fraction φJ (γ).
We show further that φ∗(γ) and φJ(γ) merge in the γ → 0 limit and that the dynamical signature strongly increases as the vibration amplitude is reduced.
Keywords: Jamming transition – granular media – critical phenomena – out-of-equilibrium system – force chains – contact network.
IRAMIS/SPEC/SPHYNX