Les matériaux composites solide–liquide ont de multiples applications, dans des domaines aussi variés que le génie civil (bétons, sols saturés), le biomédical (tissus artificiels, dentaire), ou encore les électrolytes de batteries et supercondensateurs.
Leur étude fondamentale en tant que « matériau » montre que l’ajout de gouttes liquides dans un solide mou permet de contrôler finement sa dissipation d’énergie, révélant un comportement hybride entre gel et émulsion.
Les matériaux mous hybrides, constitués de gouttes liquides dispersées dans une matrice solide élastique, ouvrent la voie à de nouvelles fonctionnalités mécaniques. Mais comprendre précisément leur comportement reste un défi : comment un matériau peut-il être à la fois élastique comme un solide… et dissipatif comme un liquide ?
Une collaboration de chercheurs du LPS-Orsay, du SPEC/SPHYNX et de l’ESPCI/SIMM a ainsi étudié ces « émulsions solides », formées de gouttes de polyéthylène glycol (PEG) encapsulées dans une matrice de silicone (PDMS), dans l’idée de comprendre comment ces inclusions liquides vont modifier la réponse mécanique du matériau, tout en contrôlant séparément les deux effets.
Leurs expériences révèlent un comportement atypique : si, à haute fréquence (dans des expériences où on cisaille périodiquement le matériau), le système se comporte comme un solide classique dominé par sa matrice élastique, à basse fréquence, les gouttes liquides prennent en revanche le dessus et introduisent une dissipation d’énergie supplémentaire, qui modifie profondément la réponse viscoélastique.
A gauche : modules rhéologiques normalisés G’ (module d’élasticité, cercles) et G » (module de dissipation, losanges) pour différentes concentrations de liquides ϕ en fonction de la fréquence de sollicitation normalisée ω.
A droite : image MEB prise à partir d’une coupe d’une émulsion de PEG dans le PDMS à une concentration ϕ=10%.
© E. Gilbert, A. Salonen, C. Poulard, Soft Matter, 2025
Pour décrire cette dualité, un modèle atypique, basé sur la « rhéologie fractionnaire » a été développé . Ce cadre permet de capturer simplement la transition entre comportement solide et liquide. Ce modèle leur montra que la dissipation augmente linéairement avec la quantité de liquide, indépendamment de la fréquence, un comportement que observé typiquement dans les émulsions, et que l’on retrouve ici dans un matériau solide.
Il est ainsi montré que ces composites se situent à la frontière entre gels et émulsions. Ils ouvrent ainsi de nouvelles possibilités pour concevoir des matériaux aux propriétés mécaniques sur mesure, notamment pour des applications en adhésion, en absorption d’énergie ou pour l’électronique souple. Ces résultats sont publiés dans la revue Soft Matter.
Référence :
Rheological response of soft solid/liquid composites
Elina Gilbert, Anniina Salonen, Christophe Poulard, Soft Matter, 2025,21, 8999-9007. Archive ouverte : hal-05338415v1
L’actualité CNRS-physique : « Quand des gouttes liquides transforment le comportement des solides mous« .
Collaboration :
- Laboratoire physique des solides (LPS, CNRS / Université Paris-Saclay)
- Service de physique de l’état condensé (SPEC, UMR 3680 CEA/CNRS)
- Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (SIMM, CNRS/ESPCI Paris-PSL/Sorbonne Université)
Contact CEA/SPEC : Elina Gilbert (SPEC/SPHYNX)