Avez-vous déjà ouvert un flacon de lotion pour le corps pour découvrir un liquide aqueux au lieu d'une crème épaisse, ou remarqué que votre gel capillaire se comporte différemment après un certain temps par rapport à quand il était neuf ? La cause de ces phénomènes frustrants réside souvent dans un phénomène caché connu sous le nom de mémoire mécanique des matériaux. En effet, les matériaux souples, tels que les gels, les crèmes et même certains matériaux de construction, possèdent une capacité surprenante à "se souvenir" des processus qu'ils ont subis lors de leur fabrication. Cette "mémoire", qui se manifeste sous forme de contraintes internes résiduelles, peut persister bien plus longtemps qu'on ne le croyait auparavant, ce qui a des conséquences importantes sur la stabilité, la durabilité et la prévisibilité d'innombrables produits que nous utilisons quotidiennement.

Une recherche révolutionnaire menée au Massachusetts Institute of Technology (MIT) jette une lumière entièrement nouvelle sur cette problématique. L'ingénieure Crystal Owens a développé une méthode innovante, mais étonnamment simple, pour mesurer le degré de contrainte résiduelle dans les matériaux souples. Ses résultats, publiés dans la prestigieuse revue scientifique Physical Review Letters, montrent que des produits courants comme le gel capillaire ou la mousse à raser conservent leur mémoire mécanique et leurs contraintes internes pendant des semaines, voire des mois, ce qui est en contradiction totale avec les hypothèses antérieures de l'industrie qui mesuraient cette période en minutes.

La vie cachée des matériaux vitreux mous

Les lotions pour les mains, les gels capillaires, les mousses à raser, mais aussi la mayonnaise, les peintures et de nombreux produits pharmaceutiques appartiennent à une catégorie fascinante de matériaux connus sous le nom de matériaux vitreux mous. Ces matériaux sont des hybrides uniques qui présentent simultanément les propriétés des solides et des liquides. Comme l'explique Owens, "tout ce que vous pouvez presser dans votre paume et qui forme un monticule mou peut être considéré comme un verre mou". En science des matériaux, ils sont considérés comme une version plus molle de quelque chose qui a une structure moléculaire amorphe et non structurée, semblable au verre de fenêtre. Ils peuvent s'écouler comme un liquide, mais en même temps conserver leur forme comme un solide.

C'est précisément cette double nature qui les rend extrêmement utiles, mais aussi difficiles à comprendre. Après leur fabrication, ces matériaux existent dans un équilibre délicat. Le processus de fabrication, qui implique presque toujours une forme de mélange, de pétrissage ou de cisaillement intense, introduit de l'énergie dans le matériau. Bien qu'il semble que le matériau se "stabilise" et devienne stable après le mélange, des contraintes internes restent piégées dans sa structure. Ces contraintes résiduelles représentent une sorte d'empreinte ou de "souvenir" des forces auxquelles il a été exposé. Avec le temps, le matériau peut céder à ces forces cachées et tenter de revenir à son état précédent, plus instable, ce qui entraîne une séparation de phases, un changement de viscosité ou une perte totale de fonctionnalité.

Une méthode révolutionnaire pour mesurer la "mémoire"

La pratique standard dans les industries telles que la cosmétique ou l'alimentaire est de laisser un échantillon de produit reposer pendant environ une minute après le mélange. Les fabricants ont jusqu'à présent supposé que ce temps était suffisant pour que toutes les contraintes résiduelles du processus de production se dissipent et que le matériau atteigne un état stable et final. Cependant, les recherches de Crystal Owens prouvent que cette hypothèse était erronée.

En utilisant un instrument de laboratoire standard connu sous le nom de rhéomètre, Owens a conçu un nouveau protocole pour mesurer précisément ces contraintes de longue durée. Un rhéomètre se compose de deux plaques entre lesquelles un échantillon du matériau est placé. En faisant tourner et en pressant les plaques de manière strictement contrôlée, l'instrument peut mesurer la résistance interne du matériau, c'est-à-dire ses contraintes et ses déformations. Dans ses expériences, Owens a placé des échantillons de gel capillaire et de mousse à raser dans le rhéomètre, les a mélangés en simulant un processus industriel, puis les a laissés reposer beaucoup plus longtemps que les 60 secondes habituelles. Pendant cette longue période de repos, elle a continuellement mesuré la minuscule force que l'instrument devait appliquer pour maintenir le matériau complètement immobile. Cette force est un indicateur direct de l'ampleur de la contrainte interne qui tente de "pousser" le matériau et de le ramener à son état antérieur.

Les résultats ont été stupéfiants. Non seulement les matériaux conservaient un niveau significatif de contrainte résiduelle pendant des jours après le mélange, mais cette contrainte était également directionnelle. En d'autres termes, le matériau "se souvenait" de la direction dans laquelle il avait été mélangé. Si cette contrainte était libérée, le gel commencerait à se déformer dans la direction opposée au mélange initial. "Le matériau peut effectivement se souvenir dans quelle direction il a été mélangé et il y a combien de temps", souligne Owens. "Il s'est avéré qu'ils conservent cette mémoire de leur passé beaucoup, beaucoup plus longtemps que nous ne le pensions."

Des crèmes plus stables aux routes plus durables

Cette découverte a d'énormes implications. C'est l'une des raisons principales pour lesquelles différents lots du même produit, fabriqués selon un procédé apparemment "identique", peuvent se comporter de manière complètement différente. Des variations minimes dans la vitesse, la durée ou la direction du mélange peuvent entraîner des niveaux différents de contrainte résiduelle, ce qui conduit à une qualité et une durabilité incohérentes du produit en rayon. La compréhension et la mesure de ces contraintes cachées pendant la production pourraient permettre aux fabricants d'optimiser leurs processus et de concevoir des produits beaucoup plus stables et durables.

En plus du protocole de mesure, Owens a également développé un modèle mathématique qui peut prédire comment un matériau évoluera dans le temps en fonction du niveau de contrainte résiduelle mesuré. À l'aide de ce modèle, les scientifiques pourraient concevoir de manière ciblée des matériaux avec une "mémoire à court terme" ou une très faible contrainte résiduelle, assurant ainsi leur stabilité à long terme. Cela ouvre la porte à des innovations dans de nombreux secteurs.

L'un des domaines d'application les plus prometteurs est l'industrie de la construction, en particulier la production d'asphalte. L'asphalte est un matériau qui est d'abord mélangé à chaud, puis coulé, et enfin refroidi et durci sur la route. Owens soupçonne que les contraintes résiduelles du processus de mélange des agrégats et des liants contribuent de manière significative à la formation de fissures dans la chaussée au fil du temps. Au fur et à mesure que l'asphalte refroidit et subit ensuite des changements de température quotidiens et saisonniers, ces contraintes internes peuvent entraîner l'apparition de microfractures qui s'étendent avec le temps et deviennent un problème sérieux. En réduisant ou en contrôlant ces contraintes initiales lors de la phase de production, nous pourrions obtenir des routes beaucoup plus résistantes et durables.

"De nouveaux types d'asphalte sont constamment inventés dans le but d'être plus respectueux de l'environnement, et chacun de ces nouveaux mélanges aura des niveaux de contrainte résiduelle différents qui devront être contrôlés", explique Owens. Les applications potentielles vont encore plus loin, de l'optimisation des pâtes d'impression pour l'impression 3D et du développement de pommades pharmaceutiques plus stables à l'amélioration de la texture et de la durée de conservation de produits alimentaires comme les yaourts ou les pâtes à tartiner au chocolat. La compréhension de la mémoire mécanique débloque un nouveau niveau de contrôle sur le monde des matériaux qui nous entourent.