Des silos mag[nét]iques : une colonne de grains indétectable !

Les grains, forment l’état de la matière le plus manipulé par l’Homme après l’eau. Leur utilisation est de première importance dans de nombreux domaines industriels, notamment la construction, l’agroalimentaire, l’industrie pharmaceutique …. Plus de mille tonnes de sable et gravier sont extraites chaque seconde dans le monde ! Par conséquent, chaque avancée dans la compréhension de la physique des milieux granulaires revêt une importance majeure.

En 1895, H. A. Janssen, un ingénieur allemand s’intéressant à la rupture des silos à grains, a proposé un modèle expliquant comment la friction entre les grains et entre les grains et les parois permet de redistribuer horizontalement une partie du poids de la colonne qui prend alors partiellement appui sur les parois du silo. Cet effet conduit à la saturation de la pression au bas de la colonne : au-delà d’une certaine hauteur de la colonne, l’ajout de grains n’entraine pas d’augmentation de la pression mesurée à la base. En d’autres termes, la masse apparente de la colonne supportée à la base du silo devient indépendante de la quantité de grains.

Une équipe du laboratoire de Physique de l’ENS de Lyon en collaboration avec le Centre d’Excellence Porelab de l’Université d’Oslo dans le cadre de la thèse en cotutelle de Louison Thorens a revisité cette expérience classique en utilisant des grains ferromagnétiques. Les physiciens ont introduit des billes d’acier de diamètre 1,5mm dans un tube (jouant le rôle de silo) de 2cm de diamètre en présence d’un champ magnétique. Ils ont alors mesuré, à l’aide d’un capteur de force placé sous la colonne, le poids apparent de cette colonne de grains en fonction de l’amplitude et de la direction (verticale ou horizontale) du champ magnétique appliqué. Ils ont ainsi mis en évidence la possibilité de modifier, grâce au champ magnétique, la friction des particules aux parois et donc de contrôler la masse apparente de la colonne de grains. Ce nouvel « effet Janssen magnétique » s’explique par une nouvelle redistribution d’une fraction du poids de la colonne sous la forme d’une force radiale supplémentaire induite par les interactions dipolaires entre les grains magnétisés sous l’effet du champ et confinés par les parois du tube. Les chercheurs ont réussi à modéliser cet effet et à mettre au point un outil numérique prédisant avec une grande précision la masse apparente de la colonne en fonction de l’amplitude et la direction du champ magnétique appliqué.

L’une des prédictions les plus remarquables, vérifiée par les observations expérimentales, est que pour des champs magnétiques verticaux d’amplitude suffisante, la masse apparente de la colonne décroît lorsqu’on ajoute des billes dans le silo, jusqu’à même s’annuler ! La colonne devient alors indétectable avec une masse apparente nulle ! Les chercheurs ont baptisé les conditions pour lesquelles ce phénomène spectaculaire se produit sous le nom de ‘seuil d’invisibilité granulaire’ et ont établi la loi qui le régit.

Au-delà du contrôle du poids apparent d’une colonne de grains, ces travaux permettent d’envisager la conception de métamatériaux granulaires dont les propriétés mécaniques de (dé)blocage (jamming/unjamming) peuvent être contrôlées à distance, voire même programmées à l’avance grâce à l’utilisation de grains durablement magnétisables (ferromagnétiques durs).