Précurseurs de la défaillance dans les matériaux mous – FAPRES

Les phénomènes de rupture matérielle sont omniprésents, de l’échelle nanométrique comme dans la fracture des solides cristallins, à l’échelle géologique comme dans les tremblements de terre. La détection de tous les types de précurseurs annonçant une rupture imminente s’apparente à la quête du Graal dans de nombreuses disciplines: sciences des matériaux, sciences de l’ingénieur, géologie etc… La rupture matérielle est particulièrement pertinente pour les systèmes de la matière molle (colloïdes, émulsion, polymères …) qui constituent des paradigmes expérimentaux pour étudier comment les contraintes mécaniques affectent l’intégrité des matériaux . En effet, par nature, la matière molle est extrêmement sensible à l’application d’une charge mécanique même modeste ; d’autre part, la plupart des matériaux mous peuvent être étudiés aux moyen de méthodes optiques puissantes telles que la microscopie ou la diffusion de lumière. Nous proposons d’utiliser un ensemble original constitué de systèmes expérimentaux modèles de nouvelles techniques expérimentales et de nouvelles approches numériques, pour élucider à l’échelle microscopique, les mécanismes responsables d’évènements catastrophiques La question scientifique majeure qui nous intéresse est « quand et comment à l’échelle micro ou mésoscopique les matériaux mous soumis à une contrainte extérieure rompent? En répondant cette question , nous avons aussi l’ambition de pouvoir contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes de rupture catastrophique dans d’autres domaines ( géologie, science des matériaux..)

Nous étudierons la rupture catastrophique observée dans divers solides mous soumis à une contrainte externe. Très souvent la rupture est précédée d’une période de latence d'une durée de quelques secondes à plusieurs heures ou plus, au cours de laquelle le système conserve son intégrité avec une déformation macroscopique qui ne varie que faiblement dans le temps. Les principales questions auxquelles nous voulons répondre concernent la nature des réarrangements microscopiques au cours de cette période de latence, et si l'évolution temporelle de ces précurseurs microscopiques pourrait fournir un moyen de détecter l’imminence d’une fracture . Une spécificité clé de notre proposition est de se concentrer notre effort sur la dynamique (par opposition à la structure) des précurseurs de la rupture, que nous allons étudier expérimentalement (partenaires 1 et 2) et numériquement et analytiquement (partenaire 3) .

Pour atteindre ces objectifs, nous allons opérer dans trois directions :

(i) faire une description systématique de la physique des précurseurs de rupture pour pouvoir en déduire éventuellement des propriétés générales, grâce au large panel de systèmes expérimentaux que nous avons l'intention d'étudier et qui sont représentatifs de plusieurs classe de matériaux mous (systèmes amorphes denses , précurseurs de réseaux dilués , gels de polymère , polycristaux…);

(ii) développer des méthodes expérimentales qui combinent résolutions temporelles et spatiales typiques des techniques d'imagerie et sensibilité à de très petits déplacements pour sonder en 3D une portion macroscopique d’échantillon qu’offre les techniques de diffusion du rayonnement. Une nouvelle combinaison de rhéométrie et de diffusion de la lumière résolue en temps et spatialement sera mise en place et permettra de recueillir un ensemble de données expérimentales encore jamais collectées;

(iii) développer une approche multi-échelle numérique et analytique qui couvrira une large gamme d'échelles de longueur variant de la taille de la particule (simulation microsopique) à des échelles plus mésoscopiques (issues de descriptions "coarse-grained" ou même champ moyen). Les techniques actuelles de l’état de l’art ainsi que de nouvelles méthodes de calcul parallèle seront mises en œuvre pour contourner la difficulté à simuler les interactions à longue portée entre événements rares.