Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°56 de jan/fév/mar 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 4,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur Pierre-Gilles de Gennes et l'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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16 Reflets de la Physique n°56 Apports de Pierre-Gilles de Gennes à la compréhension physique du pneumatique Les contributions de Pierre-Gilles de Gennes à la physique de la matière molle sont considérables, à la fois sur le plan fondamental et sur celui de ses applications industrielles qui l’ont toujours guidé. Il a notamment révolutionné la physique des polymères et a contribué à clarifier les effets liés au mouillage, en particulier, en ce qui concerne Michelin, aux interfaces pneu-chaussée. Mouillage Nos échanges sur l’effet des énergies interfaciales et de la déformabilité [1] dans les transitoires de frottement gomme-sol sont à l’origine des travaux sur le démouillage intercalé que nous avons menés avec l’équipe de Françoise Brochard-Wyart à l’Institut Curie, et qui ont fait l’objet d’un chapitre de livre [2]. Après des études sur les élastomères modèles, le démouillage de l’eau intercalée entre une surface de verre et des caoutchoucs industriels a pu être visualisé et compris (fig. 1). La compréhension du rôle de l’élasticité et de la pression osmotique dans la rhéologie des émulsions [3] a permis le développement de celle-ci. La robustesse de cette forme de lubrification justifie son usage dans l’industrie ; elle sert par exemple pour le tréfilage des renforts d’acier utilisés dans les pneumatiques. Elle cause également le « gras mouillé », à savoir la perte d’adhérence due à l’intercalation d’un mélange d’eau et de graisse (typiquement du gazole) entre la route et le pneu, bien connu des motards. Rhéologie des polymères Les travaux de Pierre-Gilles de Gennes sur la structure et la dynamique des polymères [4, 5] sont fondateurs. La notion de reptation - dont la mise en évidence par simulation moléculaire est fort difficile et dont il a étendu la compréhension aux polymères étoilés ou polydisperses - a donné lieu à des lois de comportement utilisées pour la simulation d’écoulements (modèles BKZ), y compris pour les mélanges industriels de caoutchouc [6]. La principale difficulté pratique pour l’industriel est bien entendu la caractérisation de systèmes souvent complexes  : l’utilisation des outils d’analyse dont nous disposons (notamment la RMN dynamique) repose largement sur des idées initiées par de Gennes 20 mm 1. Observation en microscopie interférentielle du démouillage d’un film intercalé entre une plaque de verre et un élastomère modèle derrière une ligne de nucléateurs. Image obtenue à l’Institut Curie. Interfaces et fractures Ses travaux sur la tension superficielle des fondus, la diffusion mutuelle [7] et la cicatrisation (a) sont essentiels à la compréhension de l’adhésion polymèrepolymère [8]. Ceux sur la conformation des polymères aux parois [9] et leurs transitions de repliement [10] illustrent l’influence des conditions aux parois sur la stabilité des écoulements dans les outils de mise en forme [11], bien que d’autres phénomènes soient également évoqués. Le frottement sec entre les élastomères et les charges renforçantes greffées ou non est à l’origine de l’effet « Payne » (fig. 2), c’est-à-dire la viscoélasticité non linéaire et thixotrope (b) des élastomères chargés aux petites déformations. Les réflexions de P.-G. de Gennes sur l’importance de la dissipation en champ lointain [12] pour la résistance au décollement et sur le rôle des connecteurs dans la résistance des joints adhésifs [13] ont initié de nombreux travaux ultérieurs de toute une école « matière molle », en particulier sur le rôle de la fibrillation et plus généralement de la mixité de modes et des grandes déformations dans la résistance
William V. Mars, Endurica LLC. G’(MPa) 12 9 6 3 des joints adhésifs ; cette extraction de chaines se manifeste dans l’effet « Mullins » ou pseudo-endommagement aux grandes déformations des élastomères chargés, ainsi que dans le frottement sur des surfaces routières engommées. Un résumé de ses travaux peut être trouvé dans l’article de Hugh Brown dans P.G. de Gennes’Impact on Science [14]. Au-delà, son étude avec Ko Okumura sur la fracture de la nacre [15] démontre l’existence d’un émoussement particulier de la pointe de fissure lié à la flexion de la phase dure et constitue une source d’inspiration sur le rôle de l’hétérogénéité et de l’anisotropie dans la résistance à la fracture des caoutchoucs renforcés de charges nanométriques'- 0 0 0,1 1 10 100 0,1 1 10 100 2γ a 2γ a 2. L’effet « Payne » dans un caoutchouc renforcé par des particules minérales se traduit par une forte décroissance aux petites déformations (γ a ∼ 0,1 à 10%) de la composante réelle G’de son module viscoélastique complexe, alors que la composante imaginaire G» (module de perte) passe par un maximum dans la région où G’décroît.Il provient du frottement solide des molécules de polymères adsorbées sur la surface des particules minérales. Bien que tous les mystères de la transition vitreuse ne soient pas éclaircis, les travaux de P.-G. de Gennes constituent une entrée en matière à des sujets essentiels pour la maitrise de l’adhérence des pneumatiques. Mais plus encore, Pierre-Gilles de Gennes reste une source d’inspiration par la façon qui lui est si personnelle de réduire un problème complexe à son épure, et par son style fait d’économie de moyens et d’une grande élégance, qui donne à ses articles une saveur toute particulière et qui évite au lecteur de se noyer dans les détails. ❚ Jean-Michel Vacherand (jean-michel.vacherand@michelin.com) Référent en science des matériaux chez Michelin Michelin, CER Ladoux F19, 63040 Clermont-Ferrand Cedex 09 (a) Cicatrisation  : reformation d’une cohésion suite à la refermeture d’une fracture. (b) Thixotropie  : évolution rhéologique due à une évolution structurale lente par rapport aux temps caractéristiques de l’écoulement. Références G’0 1,6 G’∞ 1,2 0,8 G» max 1 P.-G.de Gennes, F. Brochard-Wyart, «Dewetting of a water film between a solid and a rubber», J. Phys. Cond. Mat., 6 (1994) A9. 2 P.-G. de Gennes, F. Brochard-Wyart et D. Quéré, Gouttes, bulles, perles et ondes, Belin (2005). 3 F. Brochard-Wyart et P.-G. de Gennes, «Hydrodynamic properties of fluid lamellar phases of lipid/water», Pramana, suppl. 1 (1975) 1. 4 P.-G. de Gennes, «Exponents for the excluded volume problem as derived by the Wilson method», Phys. Lett., 38A (1972) 5. 5 P.-G. de Gennes, «Reptation of a polymer chain in the presence of fixed obstacles», J. Chem. Phys., 55 (1971) 572. 6 T.C.B. McLeish et R.G. Larson, «Molecular constitutive equations for a class of branched polymers : the pom-pom polymer», J. Rheol., 42 (1998) 81. 7 R.P. Wool, Polymer Interfaces : Structure and Strength, Hanser, New York (1995). 8 F. Brochard-Wyart et P.-G. de Gennes, « Molécules coulissantes à un interface polymèrepolymère », C.R. Acad. Sci., série 2, 317 (1993) 13. 9 F. Brochard-Wyart et al., «Shear dependent slippage at a polymer-solid interface», Langmuir, 8 (1992) 3033 ; «Slippage of polymer melts on grafted surfaces», Macromolecules, 29 (1996) 377. G» (MPa) 2 0,4 10 P.-G. de Gennes et F. Brochard-Wyart, «Coil-stretch transitions of dilute flexible polymers under ultrahigh velocity gradients», J. Chem. Phys., 60 (1974) 5030. 11 F. Brochard-Wyart et P.-G. de Gennes, «Viscosity at small scales in polymer melts, Eur. Phys. J. E, 1 (2000) 93 ; P.-G. de Gennes, «Conformation of polymers attached to an interface», Macromolecules, 13 (1980) 1069 ; P.-G. de Gennes, «Polymers at an interface : a simplified view», Adv. Coll. Interf. Sci., 27 (1987) 189. 12 P.-G. de Gennes, «Soft adhesives», Langmuir, 12 (1996) 4497 ; « Pégosité, adhésion transitoire d’un polymère fondu sur un solide passif », C.R. Acad. Sci., 307 (1988) 1949. 13 É. Raphaël et P.-G. de Gennes, «Rubber-rubber adhesion with connector molecules», J. Phys. Chem., 96 (1992) 4002 ; F. Brochard-Wyart et al., «Adhesion promoters», J. Phys. Chem., 98 (1994) 9405. 14 H. Brown, «Adhesion and friction», dans P.G. de Gennes’Impact on Science, vol. II, Soft Matter and Biophysics,pp. 104-114, J. Bok, J. Prost, F. Brochard-Wyart (eds), Series on Directions in Condensed Matter Physics, vol. 19, World Scientific (2009). 15 K. Okumura et P.-G. de Gennes, «Why is nacre strong ? Elastic theory and fracture mechanics for biocomposites with stratified structures», Eur. Phys. J. E, 4 (2001) 121. Dossier « De Gennes et l’innovation » Reflets de la Physique n°56 17



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