Institut des
NanoSciences de Paris
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Mécanique multi-échelles des solides faibles, faits marquants

Comment se déchire la gélatine ? Fracture douce d’un hydrogel réversible

Les hydrogels – chaînes polymères réticulées et gonflées par un solvant aqueux – suscitent un intérêt croissant, tant par leur champ d’application (génie biomédical, agroalimentaire, cosmétique…) que par les questions de physique fondamentale des matériaux qu’ils soulèvent. Composés essentiellement d’eau, piégée dans un réseau de maille nanométrique, ils sont cependant remarquablement résistants et peuvent être allongés de près de 100 % sans rompre. L’origine de cette résistance aux grandes déformations, les rôles respectifs du réseau et du solvant sont encore très mal compris et, pour tout dire, très peu étudiés.

Notre équipe a récemment élucidé [1], à partir d’expériences originales, les mécanismes dissipatifs en jeu lors de la rupture de la gélatine. Ce gel, archétype des gels réversibles, dont la réticulation, sous forme de zones de triple hélice imitant le collagène natif, n’atteint jamais un équilibre thermodynamique, se renforce au repos et relaxe lentement sous contrainte. Nous avons montré que ces matériaux ne se fracturent pas par rupture cohésive de chaînes mais suivant un processus « doux » de débobinage des triples hélices et d’extraction des chaînes de protéine hors de la matrice. La viscosité du solvant joue dans cette dernière étape un rôle essentiel.

L’identification de facteurs contrôlant des caractéristiques mécaniques antagonistes est une étape essentielle dans la définition de stratégies physico-chimiques de synthèse de nouveaux hydrogels ultra-résistants ; notre modèle fournit une explication à une propriété remarquable et non-intuitive des gels de gélatine – « the stiffer , the tougher » – contrairement aux élastomères ou aux gels chimiques pour lesquels une réticulation covalente plus serrée résulte en un matériau plus rigide (stiffer) mais corrélativement plus fragile.

Cette étude ouvre également des perspectives intéressantes sur une question activement débattue en physique des systèmes élastiques désordonnés, à savoir l’origine et les propriétés statistiques « universelles » de la rugosité des surfaces de rupture. Nous avons mis en évidence dans le spectre de rugosité des faciès de rupture de gels de gélatine l’existence d’un « angle magique », indépendant de la vitesse de propagation de la fracture. Les caractéristiques non-standard des surfaces aléatoires ainsi générées suggèrent que ces matériaux « ultra-mous » appartiennent à une nouvelle classe dominée par les fortes nonlinéarités élastiques et géométriques en tête de fracture. Mieux encore : les faciès se déstabilisent en dessous d’une vitesse critique sous la forme de plis se propageant également suivant l’angle magique. De telles discontinuités du front de fracture ont été récemment observées avec des hydrogels chimiques mais aussi avec des caoutchoucs. Ainsi, il apparaît que la définition de classes de comportements vis-à-vis de la fracture dans les matériaux mous doive transcender les frontières intuitives « réseau gonflé ou non » et « gel physique ou chimique ».

Le champ d’étude est vaste, à l’interface entre la physique statistique, la mécanique et la physico-chimie des matériaux ; encore très peu exploré, il ouvre de nombreuses perspectives.

1 T. Baumberger, C. Caroli & D. Martina « Solvent control of crack dynamics in a reversible hydrogel » ; Nature Materials 5 (2006) 552-555