Un mélange propice

Le mélange eau-farine de maïs donne une pâte aux propriétés étonnantes. En effet, elle coule comme un liquide visqueux lorsqu'elle est mélangée doucement mais se comporte comme un solide lorsqu'elle est mélangée violemment. C'est la raison pour laquelle on a qualifié plus tôt ce mélange de « ni solide ni liquide ». On dit que cette pâte est rhéo-épaissisante car elle s’épaissit sous l’effet d’une contrainte.

Cette propriété particulière explique qu’il est possible de marcher sur ce mélange de farine de maïs et d’eau alors que il paraît plutôt liquide. La contrainte imposée par le poids du marcheur épaissit la pâte lors de son passage et lui permet de marcher sur une surface quasiment solide.

Le tableau nous indique les compositions de différentes farines, elles sont principalement composées d'amidon et d'eau.

Ces propriétés peuvent se confirmer grâce à l'observation au microscope ci-dessus : on remarque que la concentration en granule est importante. Lorsque la pâte est au repos ou mélangée doucement, ces granules ne sont pas liées et l’eau peut couler entre elles. La pâte a dans la globalité les même propriétés que celles de l'eau mais elle est rendue plus visqueuse par le fait que l’eau circule entre les granules. Mais lorsqu’une contrainte est appliquée à ce mélange, les granules s’accrochent et forment des agrégats. Les agrégats vont créer une structure qui empêchera l’eau de circuler ce qui se traduit à l'échelle macroscopique par un épaississement de la pâte.

On peut voir sur le graphique ci-contre, que la résistance au touillage de la farine de maïs et de l'eau augmente en fonction de la vitesse de touillage, lorsqu'on touille plus rapidement le mélange celui-ci devient plus résistant donc il est plus compliqué de le manier.

L’explication générale du passage rapide du liquide au solide est qu'un choc expulse l’eau entre les grains, qui se rapprochent les uns des autres et finissent par presque se toucher.

De ce fait, l'écoulement se bloque et la suspension se comporte alors comme un solide.

Le saviez-vous ?

On peut à partir de mélange comme celui auquel nous nous intéressons dans cette étude créer des matériaux dits "rhéoépaississants" (c’est-à-dire qui épaississent en coulant) qui ont déjà trouvé quelques applications, dans des gilets pare-balles ou dans des amortisseurs de véhicule.

Nous avons donc tester la fiabilité du mélange en essayant nous même de marcher sur celui-ci.

Cette expérience nous a demandé une précision dans les calculs afin d'obtenir le « mélange parfait » :

Afin d'obtenir le mélange optimal et le plus propice à l'expérience nous avons opté pour le protocole expérimental suivant :

Nous avons besoin de :

-Bol

-Récipient assez volumineux pour contenir un pied

-Cuillère

-Balance

-Eau

-Farine de maïs

Pour une consistance idéale nous avons mélanger 270mL (soit 250g) d'eau et 530g de farine de maïs.

Pour ce faire, nous avons posé le bol sur la balance puis nous avons taré la balance pour ne garder que la masse souhaitée de la farine de maïs. Nous avons déposé la quantité voulue de farine de maïs dans le récipient plus grand. Nous avons effectué la même opération pour l'eau. Nous avons mélangé le tout à l'aide d'une cuillère résistante.

Caroline s'est aventurée dans l'expérience en posant son pied dans le mélange on a remarqué que lorsqu’elle déposait son pied lentement le mélange se comportait comme un liquide et lorsqu'elle tapait brutalement dessus il se comportait comme un solide.

Pour comprendre ce comportement étrange il faut s’intéresser de plus près à l'amidon de maïs. Le schéma représente bien l'idée. Les cercles bleus représentent les molécules qui composent l'amidon, elles sont, quand le fluide est au repos, homogènement mélangés au liquide. Mais lorsqu’un choc est appliqué au fluide, les molécules vont se rapprocher et se grouper. Elles vont former des grumeaux cohérents qui vont donner la consistance d’un solide au fluide . De plus, le choc va chasser les molécules du liquide qui vont glisser entre les groupes de colloïdes, renforçant ainsi la réaction. Après un instant, les molécules qui forment l'amidon vont à nouveau se séparer et redonner une consistance liquide au fluide.

Avant d'effectuer l'expérience nous avons prit le mélange dans un bécher et avons lâchéé différents poids à différentes hauteurs. On a alors remarqué que plus le poids est élevé plus le mélange paraît solide et que plus le poids est lâché haut plus le mélange parait solide aussi. C'est pour cela que le poids de l'humain est adéquat.

On peut conclure de cette expérience, que plus le poids rentre rapidement dans le mélange plus le fluide paraît solide et inversement.