Qu'est ce qu'un fluide non-newtonien ? Voici une petite expérience facile à faire et assez étonnante. Mais non, rassurez-vous, c'est sans risque et qui dit expérience ne dit pas forcément explosion ou incendie. Un bol ou autre récipient qui puisse contenir tout ça. Mettez la Maïzena dans le bol, puis ajoutez l'eau tiède petit à petit jusqu'à obtenir un mélange fluide mais pas trop liquide. Si votre mélange est bien fait, plongez doucement un doigt dedans, vous devriez vous enfoncer sans problème. Par contre, si vous essayez de faire ça brusquement ou de taper dessus avec votre doigt, vous n'allez pas vous enfoncer, le mélange va opposer une résistance. De même, prenez un peu de cette mixture dans votre main et modelez-la par des gestes rapides pour former une petite pyramide puis arrêtez d'y toucher. Le mélange redevient alors liquide et reforme une flaque dans votre main.
Les plus courageux pourront essayer de remplir une baignoire avec un tel mélange. Si les proportions sont bonnes, ils devraient pouvoir courir dessus sans s'enfoncer, à condition bien sûr de ne pas s'arrêter au risque de se faire engloutir. Si les proportions sont mauvaises, je décline toute responsabilité vis-à-vis de ce qu'il risque de vous arriver. Passé le stade de l'émerveillement et du je-fais-mumuse-avec-un-drôle-de-mélange, l'expérimentateur curieux se demande d'où viennent ces étranges propriétés. Le mélange que vous venez de créer fait parti des fluides non-newtoniens, c'est-à-dire des fluides dont la vitesse de déformation n'est pas directement proportionnelle à la force qu'on leur applique.
Pour comprendre l'origine de ces propriétés, il faut regarder ce qu'il se passe au niveau microscopique. Les petits grains que vous voyez sont formés par des « molécules de Maïzena » qui se sont regroupées. L'eau circule entre ces petits grains. Lorsque vous plongez doucement votre doigt dans le mélange, il y a assez d'eau entre les grains pour qu'ils puissent rouler sans se gêner. Si par contre vous faites cela brutalement, vous chassez d'un coup toute l'eau qui se trouvait entre les grains. Compte tenu de leur forme, ceux-ci ont alors du mal à glisser les uns contre les autres. Ils se coincent entre eux, ce qui donne cette solidité au mélange.
Comprendre les propriétés rhéoépaississantes
Sur ce, je vous laisse vous extasier devant la beauté de la science ! Dans l’explication : Les molécules de Maïzena (de la famille des polysaccharides) s’agglomèrent pour former des grains de quelques micromètres de diamètre. L’eau s’intercale entre les grains. Sans contrainte, ces derniers roulent facilement les uns sur les autres : le mélange est fluide. Dès qu’une force est appliquée, l’eau est chassée des interstices, les grains se rapprochent, ont alors moins de place pour se déplacer. Comme dans un bouchon routier, l’écoulement est interrompu : la matière paraît solide.
Un effet analogue se produit lorsqu’on marche sur du sable mouillé : le pied "assèche" le sable. La notion de « fluide non-newtonien » est plus ou moins commune, car c’est un fluide sur lequel on peut marcher quand on court dessus. Derrière ce charabia se cache une propriété toute simple. Les fluides non-newtoniens en revanche voient leur viscosité changer sous l’effet d’une contrainte mécanique. Certains fluides non-newtoniens sont si efficaces qu’ils permettent de marcher dessus: leur viscosité augmente quand on applique une action mécanique dessus. C’est le cas du ketchup, du sang, de la lave, de la mélasse, de certaines peintures, encres ou encore du vernis à ongles.
Ils sont tout d’abord pâteux, mais deviennent pratiquement liquides quand on le remue. Certains autres fluides évoluent, mais il faut les remuer durant un certain temps : ainsi, au fur et à mesure que l’on remue un yaourt il devient de plus en plus liquide. À l’inverse, la crème liquide devient moins fluide quand on la remue longtemps : elle se transforme en beurre. Le mélange de la farine de maïs avec un peu d’eau donne une pâte aux propriétés étonnantes. Elle coule comme un liquide visqueux lorsqu’on la mélange doucement. En revanche elle se comporte comme un solide lorsqu’on la mélange brutalement. On dit que cette pâte est rhéoépaissisante car elle s’épaissit sous l’effet d’une contrainte. Cette propriété particulière explique qu’il est possible de marcher sur un bain de mélange de farine de maïs et d’eau alors que celui-ci paraît plutôt liquide.
On distingue sur la photo précédente des granules de diamètre compris entre 5 et 25 μm. On remarque aussi que la concentration en granule est importante. Lorsque la pâte est au repos ou mélangée doucement, ces granules ne sont pas liées et l’eau peut couler entre elles. La pâte a globalement les mêmes propriétés que l’eau mais rendu plus visqueux par le fait que l’eau circule entre les granules. Mais lorsqu’une contrainte est appliquée à ce mélange, les granules s’accrochent pour former des agrégats. Plus fort, lorsque l’on soumet le mélange eau - farine de maïs à des vibrations verticales et que l’on perturbe sa surface, on assiste à une instabilité. Cette instabilité est la conséquence de deux phénomènes antagonistes. Premièrement la surface de la pâte est élastique, les zones étirées sont donc soumises à une tension comme le serait un élastique étiré. Cette tension tend à atténuer les perturbations créées à la surface de la pâte. Cependant ces défauts à la surface ne peuvent pas disparaître instantanément. En effet la pâte possède une viscosité qui freine les écoulements susceptibles de faire disparaître les bourrelets de la surface. Ce freinage est d’autant plus efficace que les vibrations sont fortes (en amplitude et en fréquence) car celles-ci épaississent le mélange eau - farine de maïs. Il existe un seuil d’intensité des vibrations pour lequel la viscosité de la pâte est telle que l’élasticité de la surface ne suffit plus à faire disparaître les défauts créés.
Applications et exemples
La bibliothèque vous propose des activités amusantes, surprenantes et intelligentes à réaliser entre enfants et adultes. Mélangée à un peu d'eau, la fécule de maïs a des propriétés étonnantes ! Comme les sables mouvants, ce mélange d'eau et de fécule de maïs s'appelle un matériau granulaire (des grains + de l'eau). Un sable mouvant est composé de sable, d'argile et d'eau. Quand on exerce une force dessus (avec son propre poids), une partie du sable et l'argile est poussée vers le fond, et la surface devient donc plus fluide : on s'enfonce alors dedans. Dans le cas de la maïzena, quand on exerce une force dessus, cela "chasse" l'eau et les particules de maïzena se rapprochent jusqu'à ce que le mélange devienne solide. Dès qu'on arrête d'appliquer cette force, le mélange redevient homogène, et donc fluide.
Le mélange Maïzena/eau est-il un fluide ou un solide ? Comment un mélange peut être les deux ? La mixture Maïzena/eau est-elle un fluide ou un solide ? Comment un mélange peut être les deux ?
