Des corrélations ioniques à la rigidité macroscopique : mécanique multi-échelle des gels colloïdaux réactifs

Les matériaux cimentaires sont la substance la plus consommée sur Terre, et pourtant ils constituent une classe singulière de matière désordonnée : ce sont des solides chargés, amorphes et poreux, qui se forment loin de l’équilibre thermodynamique. Bien qu’ils soient souvent traités comme de simples produits d’ingénierie, ces liants sont fondamentalement des gels colloïdaux réactifs dont les propriétés mécaniques émergent d’une interaction complexe de forces physiques à différentes échelles.

Dans ce séminaire, je présenterai un cadre de mécanique statistique permettant de relier les interactions chimiques à l’échelle nanométrique à la formation de la texture à l’échelle mésoscopique.

Je discuterai d’abord de l’origine de la cohésion entre nanograins chargés. En calculant les potentiels de force moyenne, nous montrons que la théorie DLVO standard échoue dans ces électrolytes fortement confinés. La cohésion est au contraire gouvernée par les corrélations ion-ion et les forces d’hydratation, que nous pouvons ajuster afin de contrôler l’attraction effective entre particules.

J’aborderai ensuite l’histoire de formation hors équilibre du gel. À l’aide d’une approche hybride de Monte Carlo grand canonique et de dynamique moléculaire, nous modélisons la compétition entre les taux de précipitation des particules et les temps de relaxation structurale. Nous montrons que le durcissement du matériau correspond effectivement à une transition d’une suspension colloïdale vers un état cinétiquement bloqué, dans lequel la densité finale et la rigidité sont déterminées par le chemin de formation.

Enfin, j’examinerai les conséquences mécaniques de ce désordre structural figé. En analysant l’inhomogénéité du système, nous établissons un lien quantitatif direct entre les fractions de compacité locales et les champs de contraintes locaux. Nous montrons que la rigidité macroscopique n’est pas uniforme, mais émerge du réseau granulaire désordonné, où les concentrations de contraintes se localisent en fonction des fluctuations de densité à l’échelle nanométrique.
Ce cadre offre une perspective de mécanique granulaire sur l’élasticité et la rupture des solides amorphes cohésifs.