Section 05 Matière condensée : organisation et dynamique

III. Matière divisée, matière molle

A. Matériaux désordonnés et/ou hétérogènes

Les matériaux désordonnés et/ou hétérogènes couvrent une très large classe de matériaux très différents en fonction de la nature des particules, de leur densité et de la nature des interactions. On pensera ici, pour les plus petites particules à de faibles concentrations, aux colloïdes, pour des particules plus grosses en contact, aux frittés, aux matériaux poreux ou aux composites. Dans les cas intermédiaires, on retrouvera les suspensions, les matériaux granulaires, secs ou immergés, ou, encore, les mousses dont les bulles sont les constituants élémentaires. Parmi ces systèmes, on distinguera des systèmes « thermiques », comme les suspensions colloïdales, pour lesquels on peut évoquer l'agitation thermique et la notion d'équilibre thermodynamique des systèmes « athermiques », comme les matériaux granulaires, pour lesquels les effets de l'agitation thermique ne sont pas suffisants pour assurer l'obtention d'un véritable équilibre thermodynamique. Il conviendra de distinguer aussi, en fonction de la nature des interactions ou des particules : des systèmes « dissipatifs », dans lesquels les interactions sont sources de dissipation énergétique (contact solide entre grains pour les granulaires secs, viscosité du fluide interstitiel pour les suspensions), des systèmes « actifs » dans lesquels de l'énergie est fournie aux particules.

Les matériaux désordonnés et/ou hétérogènes présentent des propriétés physiques souvent complexes qu'il est important de comprendre, tant d'un point de vue fondamental que pour des raisons pratiques. Il en va ainsi de la réponse mécanique (écoulement, fracture...), des propriétés de transport (hydraulique, électrique, thermique...), des diagrammes de phase, des phénomènes d'auto-organisation (bande de cisaillement, matière active...).

Du point de vue fondamental, il est important de comprendre le lien entre, à l'échelle mésoscopique, les propriétés des constituants de base et de leurs interactions et, à l'échelle macroscopique, les propriétés du matériau dans son ensemble. Cette approche multi-échelle est intéressante non seulement pour comprendre les matériaux étudiés pour eux-mêmes mais aussi, parfois, comme modèles à grande échelle de matériaux moléculaires. Ce travail nécessite des développements méthodologiques, expérimentaux et théoriques. D'une part, il faut développer les outils pour soumettre la matière à des sollicitations diverses et mesurer la réponse, parfois à des échelles intermédiaires, difficiles d'accès par les techniques existantes. D'autre part, d'un point de vue théorique, les non-linéarités, le caractère non-conservatif des interactions ou la nature athermique des systèmes conduisent à développer, entre autres, des concepts de physique statistique hors-équilibre ou à améliorer l'outil numérique pour rendre compte de comportements impliquant de larges gammes d'échelles de longueur et de temps. Du point de vue appliqué, les matériaux désordonnés et/ou hétérogènes sont impliqués dans de nombreux processus industriels (broyage, transport, mélange de grains, mise en forme de matériaux...), biophysiques (rhéologie du sang, comportement collectif de bactéries...), ou géophysiques (lave, boues, avalanches, transport sédimentaire, piégeage du CO2...). Ils sont l'objet de nombreuses collaborations interdisciplinaires entre physique, mécanique, géophysique, chimie, biologie.

Pour n'en citer que quelques exemples, les questions actuelles concernent la propagation d'interfaces dans des milieux aléatoires (fracture de matériaux hétérogènes, imbibition de milieux poreux), la rhéologie des fluides complexes (fluide à seuil, thixotropie), l'auto-organisation de systèmes actifs (particules Janus, colloïdes actifs, bactéries) ou encore les propriétés de la matière constituée de grains subissant des transformations (broyage, fusion, réactivité chimique des surfaces, condensation).

B. Morphogenèse, irrégularité

L'étude de la morphogenèse a connu au cours des dernières années un développement original en passant de l'étude de systèmes modèles, les plus idéaux possibles, à l'étude de systèmes réels. Ce changement se traduit par exemple dans le cas de l'étude des structures de croissance en métallurgie (théorique et expérimentale) par la prise en compte des effets des contraintes mécaniques, des effets de l'écoulement lors de la solidification, ou des conditions aux limites. Dans ces situations, on constate à chaque fois que le mécanisme fondamental de morphogenèse est couplé à un autre phénomène physique (souvent mécanique) qui modifie fortement la structure. D'un point de vue théorique, ces travaux ne sont rendus possibles que par l'utilisation du calcul numérique tandis que d'un point de vue expérimental, l'observation in situ en volume de structures tridimensionnelles devient possible en utilisant des techniques telles que la tomographie X.

Dans le même ordre d'idée, les liens entre morphogenèse et mécanique font l'objet de nombreux travaux sur la propagation de fractures, sur les instabilités de délamination ou les interactions fluide-structure au sens large (les milieux granulaires compris). Ces travaux ont de nombreuses implications tant au niveau des processus industriels (délamination par exemple) que des systèmes biologiques où le rôle de la mécanique dans les processus de morphogenèse est de plus en plus pris en compte.

Par ailleurs, les processus de nano-fabrication reposent souvent sur l'auto-organisation lors de processus de croissance ou d'abrasion. Dans cette situation, une étude théorique utilisant les outils classiques de la morphogenèse en les adaptant, le cas échéant, aux particularités des systèmes nanométriques apporte un éclairage profitable comme dans le cas de la formation de nano-piliers par abrasion ionique ou dans le cas du démouillage des solides sur substrat solide.

Finalement, si les travaux sur la morphogenèse en biologie impliquent des concepts éprouvés, l'échelle des systèmes biologiques et leur caractère actif, font que de nouveaux mécanismes de formation de structure apparaissent comme, par exemple, lors de la formation et du mouvement de bancs de poissons ou lors de la croissance de colonies de bactéries.

C. Matière molle et systèmes colloïdaux

La matière finement divisée développe de grandes interfaces et génère des partitions de l'espace parfois, complexes. C'est ici le domaine des nanoparticules et des colloïdes en solution où l'échelle d'énergie des interactions interparticulaires est de l'ordre de quelques kT à quelques dizaines de kT. Ces faibles interactions permettent à ces assemblées de colloïdes « fragiles » d'adopter des portraits de phase riches où peuvent se côtoyer des phases à l'équilibre thermodynamique, des verres et/ou des gels évoluant dans le temps. Le caractère fragile et parfois évolutif de ces « matériaux » les rend très sensibles aux sollicitations ou aux forçages extérieurs de type mécanique, électrique ou magnétique. C'est ici le domaine de la rhéophysique.

Parmi les nombreuses classes de systèmes étudiés récemment, on peut citer, en autres, les travaux portant sur les diagrammes de phase dynamiques des colloïdes actifs et leurs statuts thermodynamiques, l'étude des systèmes mixtes tensio-actif/polymères/colloïdes, l'analyse les portraits de phase de systèmes colloïdaux anisotropes où se confrontent transition isotrope – nématique, apparition de gel ou de verres, processus de floculation. Une question transversale concerne la spécificité et le rôle du solvant qui est en général soit de l'eau soit une huile. Cependant, d'autres solvants comme les liquides ioniques sont actuellement à l'étude. Notons qu'un autre domaine de recherche connexe concerne le séchage des ces systèmes colloïdaux. Des relations possibles avec les études de morphogénèse sont ici à souligner.

D. Fluides confinés à l'échelle micro et nano

La matière finement divisée que l'on rencontre dans les suspensions colloïdales concentrées, ou les milieux poreux, génère de grandes interfaces de contact avec le solvant ou le fluide interstitiel. On peut considérer le confinement qui en résulte à plusieurs échelles. En premier lieu, la zone proximale de la surface où l'interaction du fluide avec l'interface est essentielle. Il s'agit ici de comprendre, le caractère « mouillant » du fluide, sa dynamique et son hydrodynamique (vitesse de glissement aux parois) en relation avec sa structuration moléculaire. À plus grande distance, le rôle de la géométrie 3D du système interfacial est à relier avec la dynamique du fluide. On est donc face à un problème à plusieurs échelles de temps et d'espace bien souvent non séparables.

À l'échelle nanométrique, ces fluides confinés posent d'intéressantes questions concernant les limites de validité des lois de transport macroscopique. C'est un des enjeux des études concernant la « nanofluidique » où le confinement induit de nouvelles propriétés liées aux fluctuations thermiques et électriques, à l'apparition d'organisation moléculaires restreintes et en gradient. Dans ce cadre, plusieurs études considèrent des fluides nanoconfinés simples (eau) ou plus complexes (liquides ioniques, cristaux liquides) dans des systèmes poreux nanoconfinants comme les MCM41, les nanotubes de carbone ou de nitrure de bore, les surpercapacités à base de membranes de carbone désordonnées. Des applications sont envisageables dans les domaines de la nano électrochimie, du stockage d'énergie, de la détection de molécules uniques et de la désalinisation de l'eau.

Les études des fluides nanoconfinés remettent en perspective les processus d'adsorption et de condensation capillaire dans les matériaux nanoporeux en relation avec les propriétés poro-mécaniques, notamment dans le cas des MOF (metal oxyde framework). De plus, partant de l'échelle nanométrique, il reste un véritable défi pour la description dite bottom-up de la dynamique de fluides confinés dans des systèmes interfaciaux multi-échelles souvent désordonnés.

Un autre aspect du confinement interfacial concerne son influence sur la réactivité de surface des fluides confinés. Ce problème, posant en outre la question de la stratégie optimale de recherche de cible, a donné lieu à d'intéressants travaux liés à l'optimisation réactionnelle, en particulier dans le domaine de la catalyse hétérogène et dans l'étude de plusieurs phénomènes biologiques.

E. Propagation d'ondes en milieux complexes

La propagation d'ondes en milieux complexes est un thème qui se trouve au carrefour de nombreuses disciplines de la physique. Cependant, qu'il s'agisse de la propagation des électrons dans un métal contenant des impuretés, de la lumière dans un verre de lait ou bien d'une onde ultra-sonore dans un acier à grains, il s'agit toujours d'étudier la propagation d'une onde dans un milieu hétérogène dont la taille caractéristique est grande devant le libre parcours moyen mais demeure petite devant la longueur de cohérence de phase (cas d'une onde quantique) ou le libre parcours moyen d'absorption (cas d'une onde classique). Dans ce régime, la cohérence des ondes est préservée en dépit de la diffusion multiple. C'est ce qui explique la formation d'une figure de tavelures lorsqu'un milieu opaque est illuminé par un laser. Ce sont aussi des interférences entre ondes multiplement diffusées qui pilotent la transition de phase vers le régime de localisation forte proposé en 1958 par Anderson pour expliquer la transition métal – isolant.

Les ondes classiques (acoustiques, optiques, micro-ondes) sont particulièrement appropriées pour étudier la localisation d'Anderson. En effet, les expériences sont menées sur des échantillons macroscopiques à température ambiante, les interactions non linéaires entre ondes peuvent être évitées (pas de compétition avec la transition de Mott) et la fonction d'onde peut être directement mesurée. Un enjeu majeur est de parvenir à apporter des preuves expérimentales d'une transition vers un régime localisé dans des échantillons tridimensionnels.

La compétition entre localisation et non linéarités, l'effet de la polarisation, la recherche des exposants critiques ou encore le caractère multifractal de la fonction d'onde à la transition sont des sujets d'une grande actualité. Au-delà, la recherche d'analogues classiques de systèmes étudiés en physique du solide est un domaine très actif (cristaux phononiques, cristaux photoniques, modèles micro-ondes du graphène).

La complexité du milieu de propagation, loin d'être toujours une difficulté dont on cherche à s'affranchir, peut être un atout. Ainsi, de nouvelles méthodes de contrôle d'ondes se développent qui exploitent le désordre, la géométrie chaotique ou les résonances locales d'un milieu : lasers aléatoires, fibres optiques à section chaotique, matériaux localement résonants pour le contrôle d'ondes à des échelles sub-longueur d'onde. De même, de nouvelles méthodes d'imagerie exploitent la complexité du milieu pour gagner en résolution spatiale (focalisation par retournement temporel ou par contrôle de front d'ondes, méta-lentilles résonantes pour l'imagerie sub-longueur d'onde), pour y détecter un changement avec une grande sensibilité (interférométrie de la coda) ou pour réaliser des images sans utiliser de source active (imagerie passive par corrélation de bruit, notamment appliquée à la sismologie).

Enfin, une tendance importante est au développement de nouvelles méthodes d'investigation et d'imagerie d'un milieu opaque fondées sur la mesure de sa matrice de transmission (en amplitude et en phase). L'analyse des valeurs singulières et des vecteurs singuliers de la matrice permet de déterminer les canaux disponibles pour le transport d'ondes. La confrontation des mesures aux prédictions de la théorie des matrices aléatoires s'avère fructueuse et des liens s'établissent entre imagerie à travers les milieux opaques, transport électronique et théorie de l'information.