Des fissures surprenantes expliquées par un nouveau mécanisme

Des motifs de rupture étonnement réguliers en forme de spirales, d’allées oscillantes ou en bandes peuvent se propager dans des films minces. Une équipe de physiciens (ESPCI ParisTech/CNRS/Saint-Gobain/Université de Santiago du Chili) vient de mettre en évidence ce nouveau mode de rupture dans lequel la fissure à travers le film collabore avec le décollement de la couche.

Propagation d’une fissure en allée régulière de croissants
©ESPCI ParisTech

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Déposer une couche mince pour protéger une surface ou en modifier les propriétés est un procédé industriel fondamental. Il s’agit en effet aussi bien des peintures qui protègent nos murs que des couches optiques déposées sur nos vitres. Lors du dépôt ou au cours du temps, des contraintes résiduelles de tension peuvent apparaître au sein du film. Généralement, ces contraintes finissent par engendrer des fissures droites qui apparaissent successivement en se branchant à angle droit. Ces fissures conduisent aux craquelures familières que nous observons sur de la boue séchée ou sur une assiette en faïence.

Une équipe de physiciens du laboratoire de Physique et mécanique des milieux hétérogènes de l’ESPCI ParisTech (ESPCI ParisTech/CNRS) et du laboratoire Surface du verre et interfaces (Saint-Gobain Recherche/CNRS), en collaboration avec le laboratoire de Physique non-linéaire de l’université de Santiago du Chili (USACH), ont mis en évidence un mode de rupture très différent dans des films fragiles présentant une adhésion modérée avec le substrat. Les fissures répliquent en effet un motif initial, et forment des motifs géométriques réguliers, inhabituels dans les processus de rupture. Ces fissures sont d’autant plus étonnantes qu’elles peuvent apparaître sur des films considérés comme stables selon les critères classiques de la mécanique de la rupture.
Ces travaux font l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.

Propagation d’une fissure en spirale
©ESPCI ParisTech

Voir aussi le film correspondant ici ou là


En observant la propagation de la fissure en temps réel, les chercheurs ont compris que le couplage entre le décollement et la rupture du film sur son épaisseur permet de relâcher les contraintes résiduelles dans de larges parties du film et de promouvoir ainsi la propagation des fissures. Si les conditions de propagation résultent d’une compétition entre énergie de rupture et contraintes résiduelles, le mécanisme sélectionne une taille stable, indépendante du chargement et des propriétés du matériau.

La robustesse des motifs de rupture pourrait permettre d’utiliser ces fissures comme un outil pour produire des nano-objets ou pour structurer les surfaces à petites échelles. En dehors du monde de la nanotechnologie, un observateur curieux peut trouver les traces de ces étonnants motifs sur des films de vernis ou de peinture anciens ou sur l’écorce de certains arbres (les marronniers par exemple).

Référence

Self-replicating cracks : a collaborative fracture mode in thin films
Joël Marthelot, Benoît Roman, José Bico, Jérémie Teisseire, Davy Dalmas, and Francisco Melo
Publié en ligne le 20 août 2014 dans Physical Review Letters

Pour aller plus loin

– la page personelle de José Bico
– la page personnelle de Joël Marthelot

Couverture media

– sur le site de l’Institut de physique (INP) du CNRS
– sur le site de l’Institut des sciences de l’ingénierie et des systèmes (INSIS) du CNRS
– Self-Replicating Cracks, le synopsis de Michael Schirber, PhD dans Physics, the journal of the American Physical Society.
– "Des craquelures artistiques" (Le Monde)
– "Breaking Beautiful" (Inside Science)
– "Beautiful spiral cracks could be a feature, not a flaw" (New Scientist)
– "Regelmäßige Rissmuster in dünnen Schichten" (Welt der Physik)
– "Физики объяснили природу самоповторяющихся трещин" (vk.com)
– "Two cool papers on the arxiv" (blog de Douglas Natelson)
– Physics Today Facebook page