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

Instabilité de front de fracture dans un hydrogel : un origami mou

 

Un hydrogel, dont la gélatine est un bon exemple, est constitué à 95 % d’eau piégée dans un fin réseau de chaînes de polymères connectées physiquement entre elles tous les 10 nm environ. Ce matériau se comporte comme un solide élastique, donc susceptible d’être fracturé. La résistance à la rupture des hydrogels de bio-polymères (gélatine, agar, pectine, alginate, …) est encore très mal comprise malgré les enjeux en agroalimentaire (ces gels sont comestibles) et en génie biomédical (ces gels sont de bons candidats comme support pour la croissance de tissus et comme vecteurs de substances actives). Nous avons récemment montré que le gélatine se rompait sans qu’il soit nécessaire de couper ses chaînes, celles-ci étant « dézippées » puis extraites intactes hors du gel. Nous avons pu ainsi prédire le coût en énergie de ce processus de rupture « douce ». Il s’agit du premier modèle prédictif de la fracture d’un hydrogel physique.

© INSP

© INSP

Pli élémentaire accompagnant la discontinuité du front de fracture (lignes blanches)
Vue plongeante à l’intérieur de la fracture (champ 1mm).
Structure complexe, véritable “origami mou”, résultant de l’interaction de deux plis.

 

Les surfaces de fracture résultant de la rupture d’un solide sont rarement lisses. L’origine de cette rugosité est un sujet largement étudié et débattu dans le cas de matériaux « fragiles » comme le verre. Les matériaux très déformables comme les caoutchoucs peuvent de plus présenter un régime de faciès spécifique, constitué d’un entrelacs de macro-marches. Nous avons récemment mis en évidence une texture analogue en fracturant des gels de gélatine à très basse vitesse ( 100 µm/s). Nous avons pu montrer que ces marches résultaient d’une instabilité de repliement du front de fracture en réponse aux perturbations élastiques inhérentes à la structure du réseau polymère qui, du fait de son désordre statistique, supporte des contraintes inhomogènes.

Nous avons pu suivre in situ la naissance, le développement voire l’interaction de ces plis. Nous avons proposé un scénario pour leur croissance et prédit comment la hauteur des macro-marches associées devait dépendre du matériau (caoutchouc dur ou gel mou). Un critère simple de nucléation nous permet de relier la vitesse critique d’apparition des plis à l’amplitude du désordre gelé dans le réseau élastique à des échelles de la centaine de nanomètres.

Pour en savoir plus :

T. Baumberger, C. Caroli & D.Martina (2006) Solvent control of crack dynamics in a reversible hydrogel, Nature Materials 5, 552. T. Baumberger, C. Caroli, D. Martina & O. Ronsin (2008) Magic angle and cross hatching instability in hydrogel fracture, Phys. Rev. Lett. 100, 178303.