Certains matériaux du quotidien ont des souvenirs, et maintenant ils peuvent être effacés


Certains matériaux solides ont une mémoire de la façon dont ils ont été étirés auparavant, ce qui a un impact sur la façon dont ils réagissent à ces types de déformations à l’avenir. Une nouvelle étude de Penn State donne un aperçu de la formation de mémoire dans les mousses et les émulsions courantes dans les produits alimentaires et pharmaceutiques et fournit une nouvelle méthode pour effacer cette mémoire, ce qui pourrait guider la préparation des matériaux pour une utilisation future.

« Un pli dans un morceau de papier sert de souvenir d’avoir été plié ou froissé », a déclaré Nathan Keim, professeur agrégé de recherche en physique à Penn State qui a dirigé l’étude. « De nombreux autres matériaux forment des souvenirs lorsqu’ils sont déformés, chauffés ou refroidis, et vous ne le saurez peut-être pas à moins de poser les bonnes questions. Améliorer notre compréhension de la façon d’écrire, de lire et d’effacer des souvenirs offre de nouvelles opportunités pour diagnostic et programmation des matériaux. Nous pouvons connaître l’historique d’un matériau en faisant des tests ou effacer la mémoire d’un matériau et en programmer un nouveau pour le préparer à un usage grand public ou industriel.

Les chercheurs ont étudié la mémoire dans un type de matériau appelé solides désordonnés, qui contient des particules souvent disposées de manière erratique. Par exemple, la crème glacée est un solide désordonné composé d’une combinaison de cristaux de glace, de gouttelettes de graisse et de poches d’air mélangées de manière aléatoire. Ceci est en contraste frappant avec les matériaux à « structures cristallines », avec des particules disposées en rangées et colonnes hautement ordonnées. Les solides désordonnés sont courants dans les sciences alimentaires, les produits de consommation et les produits pharmaceutiques et comprennent les mousses comme la crème glacée et les émulsions comme la mayonnaise.

« La préparation des matériaux comprend souvent leur manipulation de manière à modifier l’arrangement de leurs molécules, bulles ou gouttes, en les faisant passer d’un état d’énergie plus élevée à un état d’énergie plus faible et plus stable », a déclaré Keim. « Pour certains matériaux comme le verre, cela implique de chauffer soigneusement le matériau afin que ses molécules se décollent et puissent s’organiser de manière plus organisée. Mais pour certains matériaux, comme la mayonnaise, le chauffage a des effets secondaires destructeurs ou peu appétissants. Ainsi pour les matériaux où le chauffage est n’est pas une option, nous utilisons un processus appelé recuit mécanique pour déformer physiquement le matériau et l’amener à un état d’énergie inférieur. »

Keim et ses collègues ont précédemment étudié comment le recuit mécanique de solides désordonnés peut permettre à un matériau de former une mémoire de cette déformation, ce qui a un impact sur la façon dont il réagit à une déformation future. Dans un nouvel article paru le 5 octobre dans le journal Avancées scientifiquesles chercheurs fournissent une compréhension plus fine de la façon dont les souvenirs se forment dans les solides désordonnés et comment les souvenirs existants peuvent être « lus » et même effacés.

« Nous déformons notre matériau par cisaillement, ce qui implique de déplacer un côté du matériau par rapport à l’autre, comme tirer le coin d’un rectangle sur le côté pour qu’il devienne un parallélogramme », a déclaré Keim. « En répétant cette déformation à la même amplitude plusieurs fois, vous pouvez essentiellement inscrire une mémoire de la déformation, qui affecte subtilement la façon dont elle répond à la déformation d’autres amplitudes à l’avenir. Nous avons clarifié les circonstances dans lesquelles cette mémoire se forme dans les solides désordonnés. et montré comment déterminer l’ampleur d’une déformation antérieure qui s’y était inscrite. »

Les chercheurs démontrent également une nouvelle méthode pour effacer les souvenirs dans les solides désordonnés.

« Certaines des règles de mémoire dans ces matériaux ressemblent beaucoup aux règles de mémoire dans les ferromagnétiques, quelque chose que les physiciens étudient intensément depuis plus de cent ans », a déclaré Keim. « Un aimant de réfrigérateur porte une aimantation qui est une sorte de mémoire des champs magnétiques qui ont été appliqués à l’usine. Pour effacer ces mémoires, vous pouvez appliquer un fort champ magnétique et alterner sa direction tout en affaiblissant progressivement le champ. Avec notre nouveau méthode, que nous appelons une méthode de sonnerie, nous appliquons des amplitudes de déformation de plus en plus petites jusqu’à ce que la mémoire ait été supprimée. »

Effacer un souvenir pourrait offrir aux scientifiques des matériaux l’occasion de repartir de zéro et de préparer ensuite un matériau de la manière la plus avantageuse.

Pour cette étude, les chercheurs ont simulé un solide désordonné en utilisant 25 000 minuscules particules de plastique situées à l’interface de l’eau et de l’huile dans un plat – une configuration développée par le co-auteur Dani Medina, étudiant de premier cycle à la California Polytechnic State University, San Luis Obispo, au moment de la recherche. Les particules sont chargées électrostatiquement, se repoussent et peuvent être déformées avec une aiguille se déplaçant le long de l’interface de manière contrôlée. L’équipe a utilisé un microscope pour suivre la disposition des particules dans le matériau.

« Les solides désordonnés sont plus semblables que différents, et les détails microscopiques de leur structure – qu’il s’agisse de gouttes d’huile ou de bulles de mousse, de grains ou de particules – ne semblent pas avoir beaucoup d’impact sur le comportement global », a déclaré Keim. « Cela permet à nos expériences de fournir un aperçu du recuit mécanique et de la formation de mémoire dans de nombreux autres matériaux. À l’avenir, nous aimerions vérifier ces propriétés de mémoire matérielle dans des solides désordonnés tridimensionnels – l’équivalent de la mayonnaise ou de la crème glacée. « 

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation.

Source de l’histoire :

Matériel fourni par État de Penn. Original écrit par Gail McCormick. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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