Les chercheurs du Groupe Instabilités et Turbulence de l'IRAMIS-SPEC ont montré expérimentalement que la transition de blocage de matériaux granulaires amorphes, qui se traduit par l'apparition d'une rigidité globale, se manifeste par la croissance d'une longueur de corrélation présentant un caractère critique.
(figure de titre : Champ de déplacement au voisinage d'un intrus tiré dans un milieu granulaire dense)
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Illustration 1: Schéma de l'expérience. Une particule intruse est tirée à force constante parmi les autres grains. |
Illustration 2: Diagramme d'état, dans lequel deux transitions apparaissent : la transition de fluidification (courbe) et la transition de Jamming (vertical) |
Vous avez un grain? Ils en ont des milliers ! Dans cette expérience du Groupe Instabilités et Turbulences, une assemblée amorphe de grains en 2D est compressée dans une cellule sous vibration horizontale (voir illustration 1) jusqu'à atteindre les états les plus denses possible : une transition apparaît alors, dite transition de blocage (Jamming) [1,2], donnant une rigidité globale au matériau par percolation dynamique des chaines de force.
Les caractéristiques fines de cette transition ont été étudiées au cours de la thèse de Raphaël Candelier au moyen d'une particule « intrus » tirée à force constante dans le milieu. Un diagramme de phase a été dressé, qui met en évidence la présence d'une ligne de fluidification, au dessus de la quelle l'intrus avance sans s'arrêter (comme dans un liquide visqueux) et en dessous de laquelle l'intrus adopte un mouvement intermittent, l'intensité des fluctuations se renforçant au voisinage de la transition de Jamming.
Sous la ligne de fluidification, la réponse à cette perturbation fortement non-linéaire présente une intermittence spatio-temporelle illustrée dans une vidéo : Voir la vidéo
Les images brutes des grains sont représentées dans la partie inférieure, tandis que la partie supérieure montre ces grains après traitement d'image, la couleur codant leur vitesse instantanée. Il apparaît clairement dans cette configuration – très proche de la transition – que le matériau « hésite » entre un état très rigide et un état très fluide. Les réorganisations à longue protée que l'on peut apercevoir dénotent le caractère critique de cette transition qui a été mis en évidence quantitativement par une analyse du type « crackling noise » révélant des lois d'échelles.
Cette phénoménologie, explorée ici expérimentalement par un procédé original, est décrite dans deux publications récentes [3,4].
Groupe Instabilités et Turbulence
Service de Physique de l'Etat Condensé (CNRS URA 2464)
DSM/IRAMIS/SPEC, CEA-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
Références :
[1] Jamming at zero temperature and zero applied stress: The epitome of disorder
O'Hern, C. S. and Silbert, L. E. and Liu, A. J. and Nagel, S. R. – Phys. Rev. E 68, 011306 (2003)
[2] Jamming: A new kind of phase transition? Biroli, G. – Nature Physics 3, 222 (2007)
[3] Creep Motion of an Intruder within a Granular Glass Close to Jamming
Candelier, R. and Dauchot , O. – Phys. Rev. Lett. 103, 128001 (2009), PDF
[4] Journey of an intruder through the fluidisation and jamming transitions of a dense granular media Candelier, R. and Dauchot , O. – arXiv:0909.4628v1, submitted to PRE (2009) PDF