Bien qu'omniprésente dans notre univers quotidien, la matière en grains (poudres, sables des déserts, graviers, minerais, céréales…) a longtemps été considérée comme un matériau à faible valeur ajoutée ("low-tech"). En conséquence, les efforts de la recherche fondamentale et appliquée sont toujours restés très limités dans ce domaine. Toutefois, la décennie qui s'achève a vu la tendance s'inverser grâce aux travaux des chercheurs du Laboratoire des milieux désordonnés et hétérogènes¹ (LMDH). Ils se sont particulièrement intéressés au domaine de l'expérimentation et de la modélisation de plusieurs comportements fondamentaux de la matière en grains.

La sophistication croissante de l'ensemble des procédés industriels, la complexité des matériaux composites nécessaires à l'industrie (aimants de moteurs de TGV, futurs produits pharmaceutiques pulvérulents, bétons polymères, plastiques, mélanges de propulsion des fusées, etc.) ont conduit les industries à forte valeur ajoutée ("high-tech") à jeter un regard nouveau sur la matière granulaire. De leur côté, des chercheurs aux thématiques variées se sont rapidement mobilisés face au véritable défi scientifique que pose la compréhension du comportement statique et dynamique de la matière en grains. L'équipe du Laboratoire des milieux désordonnés et hétérogènes (LMDH) contribue largement aux efforts de modélisation de comportements fondamentaux de la matière granulaire comme, par exemple, le redoutable phénomène d'avalanche.

AVALANCHES : L'OR BLANC, ENCORE UN DANGER POUR L'HOMME
© CNRS. Photo : Jacques Duran.		Figure 1 : L'image de gauche est obtenue après rotation rapide, autour de son axe, d'un cylindre contenant un mélange de petits grains sphériques blancs et de gros grains de verre pilé noir. Celle de droite, obtenue à partir du mélange de gauche, après quelques tours en rotation lente, permet d'observer une stratification en bandes alternées noires et blanches. Il s'agit d'une auto-organisation spectaculaire du milieu granulaire due à la différence de deux angles d'avalanches des grains blancs et noirs.

Chacun a pu observer des avalanches, naturelles ou provoquées, en inclinant une boîte contenant un matériau granulaire quelconque (sel, sucre, sable, riz). On sait ainsi que l'inclinaison d'un milieu granulaire au-delà d'un certain angle provoque un écoulement. En réalité, la simple définition de cet angle d'avalanche est loin d'être triviale. Elle pose des questions fondamentales qui illustrent l'originalité et la difficulté de ce type de recherche.

On définit : un angle de mouvement ou angle maximum d'inclinaison du milieu granulaire juste avant l'avalanche ; un angle de repos plus petit que le précédent d'environ 2° ou angle formé par le granulaire et la surface horizontale juste après une ou plusieurs avalanches. Entre ces deux angles, se trouve un autre angle neutre très utile du point de vue théorique et qui caractérise un écoulement qui ne s'amplifie ni ne s'amenuise au cours de l'avalanche. Ces deux derniers angles dépendent de l'existence ou non d'une paroi sur laquelle s'écroule l'avalanche. Il existe aussi un angle dynamique encore différent des trois précédents. Il a été prouvé - ce qui est contraire à l'intuition - qu'une petite bosse créée sur un front avalancheux va remonter la pente et non la descendre. Les chercheurs du LMDH ont élucidé les modes de passage entre ces différents angles ainsi que la statistique des avalanches successives dont on a pensé, un temps, puis démenti, qu'elle relevait du comportement général des systèmes critiques autoorganisés².

L'angle de mouvement d'un matériau formé en cratère est différent de celui d'un cône du même matériau. Le premier est très généralement plus grand que le second. Un matériau dont les grains sont de forme anguleuse (verre pilé) présente des angles d'avalanche plus grands que ceux d'un matériau constitué de petits grains sphériques. Cette dernière propriété est assez intuitive. La figure 1 montre un mécanisme de ségrégation granulaire³ obtenue par une succession d'avalanches. La ségrégation illustre le refus au mélange des espèces granulaires. Elle se révèle très pénalisante dans l'industrie qui cherche souvent à réaliser des mélanges aussi homogènes que possible. Un tel processus de stratification a été invoqué pour expliquer les structures en couches successives alternées de certains paysages géologiques (roches dans les déserts, failles géologiques, etc.).

L'équipe du LMDH s'est très récemment penchée sur la physique des poudres fines, dont le traitement pose de graves problèmes en milieu industriel. On peut citer, par exemple, les difficultés que rencontre l'industrie pharmaceutique dans la mise au point des médicaments de demain qui se présenteront sous la forme de poudres ultra-fines vaporisées sur les muqueuses nasales. Le comportement des ensembles de tout petits grains (typiquement inférieurs à 20 microns) se révèle être très sensible aux fluides ambiants (l'air, par exemple). C'est ainsi que l'on assiste à de nombreux phénomènes de blocage des écoulements et, aussi, à un certain nombre de nouvelles instabilités⁴ (figure 2). Cette forme d'instabilité pourrait, peut-être, expliquer le premier stade de la formation de collections d'éruptions volcaniques, telles celles observées sur la planète Io, un satellite de Jupiter.

© CNRS. Photo : Jacques Duran.

Figure 2 : Observation en vue de dessus d'une couche de poudre fine soufflée par en dessous, perpendiculairement au plan de l'image. L'instabilité se développe en créant une myriade de petits cratères qui éjectent des particules à l'image des éruptions volcaniques.

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