Une étude, dont les résultats intitulés «Revealing the frictional transition in shear-thickening suspensions» ont été publiés dans la revue PNAS, a permis de démontrer expérimentalement que le comportement rhéo-épaississement de certaines suspensions de particules provient d'une transition qui implique le frottement entre les particules et la présence de forces répulsives à courte portée (d'origine électrostatique ou physico-chimique).

Rappelons tout d'abord que le comportement de rhéo-épaississement est une caractéristique de certaines suspensions de particules, comme des grains d'amidon dans l'eau, liquides au repos, qui «deviennent brusquement solides lorsqu'elles sont soumises à un écoulement rapide ou à un choc». Cette propriété, qui permet par exemple, de donner l'illusion de 'marcher sur l'eau', a conduit à concevoir des vestes légères et souples mais très résistantes en cas de choc.

L'origine de ce phénomène «est longtemps restée incomprise» jusqu'à ce qu'un «modèle théorique très récent (Seto et al PRL 2013, Wyart et Cates PRL 2014)» soit proposé. Pour sa part, l'étude ici présentée s'est appuyée sur ce modèle pour faire sa démonstration expérimentale.

Le principe du modèle théorique est le suivant: alors que qu'à «faible contrainte et en présence de forces répulsives à courte portée, les particules dans une suspension rhéo-épaississante sont maintenues à distance et par conséquent ne se touchent pas», donc «ne frottent pas les unes avec les autres» ce qui fait que la suspension coule facilement, sous l'effet d'un choc ou à forte vitesse le contact solide survient et «les particules qui frottent alors les unes contre les autres produisent un milieu fortement dissipatif» dont la conséquence est de transformer soudainement la suspension en solide.

Afin de mettre en évidence cette transition, «c'est à dire le comportement frottant ou non-frottant des particules», cette étude a analysé «les angles d'avalanche, les propriétés de compaction sous vibration et enfin les effets de dilatation de différentes suspensions de particules».

Il est ainsi apparu «que les particules au sein des fluides rhéo-épaississants se comportent effectivement comme des grains non-frottants lorsqu'ils sont soumis à une faible contrainte». De plus, «en diminuant la portée de la force répulsive entre les grains dans une suspension rhéo-épaississante modèle de particules de silice», il a été constaté «que cet état non-frottant disparait et que la suspension recouvre alors un comportement rhéologique standard».

Ainsi, cette étude, qui lie «pour la première fois les propriétés microscopiques de surface, la friction et le comportement rhéologique macroscopiques des suspensions», confirme «que le rhéo-épaississement résulte d'une transition frictionnelle». Cette mise en évidence «devrait permettre de mieux comprendre et donc d'améliorer la formulation des bétons modernes qui incorporent des polymères afin de contrôler leur propriétés d'écoulement».

Surtout, cette avancée devrait plus généralement «contribuer à la formulation de suspensions aux propriétés rhéologiques contrôlées, avec des applications médicales ou sportives (attelles ou protections souples autorisant les mouvements lents mais protectrices en cas de choc)».