Des chercheurs du GRASP (Unité de recherche CESAM/Faculté des Sciences) mettent en évidence de nouvelles propriétés d’écoulement de grains qui permettent d’obtenir des compositions optimales pour densifier des mélanges. Cette étude, qui constitue une étape importante dans la compréhension des mélanges granulaires binaires et de leur compaction, présente de nombreuses applications notamment dans les domaines pharmaceutiques et de la construction. Les résultats ont fait l’objet d’une publication dans Scientific Reports (1).
T
out le monde a déjà vu cette vidéo dans laquelle un professeur remplit complètement un bocal avec des billes et y ajoute ensuite une grande quantité de sable qui vient – presque – combler les interstices laissés entre les billes, démontrant qu’il existe un espace vide significatif entre ces billes. Le principe d’insérer de petits grains entre de plus gros est utilisé dans de nombreux domaines pour augmenter la densité des matériaux. C’est le cas notamment pour les matériaux de construction ou les poudres pharmaceutiques pour optimiser, par exemple, les paramètres clés dans le remplissage des matrices de médicaments, faciliter leur compactage, etc. La question fondamentale qui se pose est alors de savoir quelle doit être la composition optimale (la quantité de petites et grosses particules) pour chaque mélange de grains.
Images et simulations numériques de deux cas extrêmes rencontrés avec des mélanges binaires et pour trois rapports de taille différents. Les cercles colorés sont des guides pour détecter les grosses billes dans le mélange. Rangée du haut : Lorsque la fraction f des petites particules est faible, elles remplissent les vides entre les grosses billes. Quand le rapport de taille α est assez grand, ils peuvent percoler dans ces vides. L’empilement des grosses perles est brisé et restructuré par de petites particules. Rangée du bas : Lorsque f est grand, les petites particules dominent l’empilement, car les grosses billes peuvent être considérées comme des corps solides entièrement entourés de petites particules.
Alors que les études précédentes étaient réservées aux simulations numériques, les études menées par les chercheurs du GRASP - Group of Research and Applications in Statistical Physics – ont pu tester physiquement leur théorie en ayant recourt aux instruments de GranuTools, une spin-off de l’ULiège. Grâce aux outils de pointe développés par la spin-off, les chercheurs ont pu étudier des mélanges granulaires composés de grains de tailles différentes et effectuer une étude systématique qui révèle la physique complexe de ces systèmes. Outre l’obtention de compositions optimales pour densifier des mélanges, les chercheurs ont étudié les propriétés d’écoulement de ceux-ci et ont pu mettre en évidence des propriétés physiques différentes selon que les plus petits grains percolent ou non dans les vides laissés par les plus gros. C’est une étape importante qui vient d’être franchie par les chercheurs de l’ULiège d’un point de vue expérimental. Les résultats de ces recherches peuvent directement être intégrés par les industriels afin d’optimiser à la fois l’écoulement et la densité de leurs poudres, et ce dans toutes les applications possibles de l’agroalimentaire à l’additive manufacturing.
Des chercheurs du GRASP - Group of Research and Applications in Statistical Physics - mettent en évidence de nouvelles propriétés d'écoulement de grains qui permettent d’obtenir des compositions optimales pour densifier des mélanges.
(1) Pillitteri S., Lumay G., Opsomer E. & Vandewalle N., From jamming to fast compaction dynamics in granular binary mixtures, Scientific reports 9, 13 May 2019. La publication est disponible en open access / Accès non restreint
