Au travers de la transition vitreuse d'un milieu granulaire: modes mous, acoustiques et rheologie – JamVibe

On observe dans les systèmes granulaires une transition brusque entre des phases liquide et solide (transition de `jamming'). Le but de ce projet est d'examiner et de formaliser les propriétés de cette transition par l'étude de systèmes granulaires vibrés. Mélant expériences, simulations numériques et théorie, on s'attachera à mettre en évidence la relation entre les processus de relaxation internes (modes mous, réarrangements) et les sollicitations externes (vibrations, cisaillement). Considérant la transition à la fois du point de vue de la phase liquide que de celui de la phase solide, nous développerons plus précisément les quatre points suivants: (i) Grâce à l'utilisation d'ondes acoustiques de surface, nous sonderons le comportement mécanique et ses possibles anomalies lorsque l'on s'approche de la transition. Cette technique est bien adaptée pour l'étude des propriétés élastiques et de dissipation dans la limite des très faibles pressions de confinement ou près de l'angle d'avalanche. En complément, nous ferons une analyse numérique de la réponse en contrainte d'une couche de grains inclinée ainsi qu'une étude théorique de l'interaction entre modes mous et ondes élastiques. (ii) Nous nous intéresserons à la manière dont un empilement granulaire se débloque et se réarrange sous faible vibration. Nous chercherons le lien entre ces modes mous et l'existence de mouvements collectifs conduisant à une relaxation lente et une dynamique de blocage. Nous utiliserons une technique statistique basée sur la matrice de covariance des positions des particules pour étudier les processus irréversibles conduisant à une dynamique diffusive. Ceci sera également appliqué à un empilement modèle pour comprendre l'impact de mécanismes tels que la dissipation locale due au frottement. (iii) Nous voulons arriver à une image plus précise des propriétés de transport (rhéologie) d'un milieu granulaire près de la transition de jamming. Ceci clarifiera le rôle des réarrangements collectifs dans la dynamique du système, ainsi que les notions élusives de contrainte seuil, dynamique intermittente ou frottement effectif. Dans ce but, nous étudierons plusieurs dispositifs rhéométriques sous vibration afin d'explorer la relation entre les composantes solide et liquide du système. Expérimentalement, nous utiliserons un premier dispositif basé sur le mouvement d'un intrus et un second sur l'écoulement d'avalanches. Ces deux systèmes pourront être vibrés. Numériquement, nous simulerons une cellule de cisaillement 2D, également soumise à une vibration d'amplitude et fréquence données. Dans tous ces cas, nous chercherons à identifier des domaines transitoirement liquides ou solides grâce à des indicateurs statistiques nouveaux adaptés à ce problème. Nous évaluerons l'impact de ce mélange de phases sur la rhéologie et espérons ainsi construire un modèle phénoménologique. (iv) Nous voulons tester expérimentalement la validité d'un nouveau scénario pour décrire le couplage et la rétro-action entre cisaillement et ondes acoustiques (vibrations internes). Ceci permettra d'éclaircir le caractère métastable de la transition de jamming ainsi que le mécanisme de formation des bandes de cisaillement dans les écoulements granulaires et la possibilité de synchronisation des degrés de liberté internes avec un mouvement collectif des grains. A travers ces différents points on constate, dans différents contextes, la présence de modes (quasi) mous lorsque le système s'approche de la transition, mais nous ignorons pour le moment son impact réel et il y a donc, dans cette limite, un maillon manquant avec la physique standard de la matière condensée. Cette question théorique est le fil directeur de notre projet. Nous souhaitons apporter un nouveau point de vue, basé sur cette approche originale, qui pourrait permettre une reformulation de la physique statistique appliquée à la transition vitreuse