PhyGaMa — Physique des billes de gaz : du film granulaire à l'empilement

Des recherches menées dans la continuité des travaux précurseurs de Pickering ont récemment permis de produire de nouveaux objets pouvant être décrits comme des poches de gaz dans l’air, nommés : bille de gaz (gas marble). Ils sont constitués de gaz entouré d'une couche de grains piégés dans un mince film liquide dans un environnement gazeux. La résistance mécanique exceptionnelle de leur coque granulaire leur promet de nombreuses applications. Parmi celles-ci, nous notons que l'utilisation de billes de gaz peut être pertinente pour la génération de matériaux de porosité hiérarchique. De plus, ces nouvelles billes creuses, une fois assemblées, offrent une voie prometteuse vers de nouveaux amortisseurs de vibrations. Dans cette proposition, notre objectif est d'étudier la physique de ce nouveau matériau. Dans un diagramme ternaire (solide-liquide-gaz), les billes de gaz partagent le domaine des hautes fractions volumique de gaz, faibles fractions volumique de solide et très faibles fractions volumique de liquide avec d'autres matériaux ternaires déjà bien connus: les matériaux granulaires humides (non saturés), les mousses de Pickering et les mousses granulaires. À l'échelle microscopique, trois mécanismes physiques sont à l'origine des interactions (éventuellement multicœurs) entre les grains: la capillarité, les contacts entre grains et la dissipation visqueuse (dans le film liquide et aux interfaces liquide/gaz). Les échelles de temps, de longueur ainsi que la répartition des grains diffèrent d'un système à l'autre, mais les questions que leur existence soulèvent sont les mêmes : Comment la microstructure de la phase dispersée et les interactions à l'échelle microscopique sont-elles liées et affectent-elles le comportement global du matériau? Constituent-ils une même classe de matériaux dans le sens où ils obéissent aux mêmes lois de comportement mais avec des paramètres d'état différents définis par la physique à l'échelle microscopique ? L'étude des billes de gaz permettrait de donner de nouvelles réponses à ces questions et de proposer une vision unifiée du sujet. Pour aborder ces questions, nous mènerons des expériences aux différentes échelles du matériau où les paramètres des phases continue et dispersée seront contrôlés afin de révéler les principales caractéristiques physiques de ces nouveaux objets. Au niveau mésoscopique, nous souhaitons comprendre le lien entre le réseau de particules et le comportement des membranes des billes de gaz soumis à différentes sollicitations : forçages global et local, vibrations et enfin rhéométrie classique. Dans le régime quasi statique, nous étudierons l’influence de la pression capillaire sur l’élasticité de la membrane et du réseau granulaire en termes de fraction surfacique de particules, nombre de voisins et coefficient d’agrégation. En régime dynamique, le rapport entre la dissipation par contact entre grains et la dissipation interfaciale ou visqueuse sera abordée. Enfin, en route vers l’échelle macroscopique, nous avons pour premier objectif de créer des billes de gaz à propriétés contrôlées, et pour second de corréler le comportement statique d'une bille de gaz et d’un assemblage de billes de gaz aux propriétés de la membrane et / ou de la coque. Enfin, les propriétés dynamiques des billes de gaz et d'un empilement de billes de gaz seront étudiées par propagation d’ondes et interprétées en fonction des propriétés d’amortissement des films granulaires et de l’assemblage des billes de gaz . La structure multi-échelle et ternaire du matériau pourrait révéler différents modes de propagation de couplés (propagation des ondes dans l'air et dans le squelette granulaire).