Les fluides non newtoniens

TPE: LES LIQUIDES NON NEWTONIENS

Problématique: Est-il possible de fabriquer un liquide qui est en même temps solide ?

INTRODUCTION

L’amidon de maïs, plus connu sous le nom de maïzena, est un ingrédient de cuisine très utilisé.

Cependant, malgré les apparences, le mélange constitué d’eau et de maïzena possède des propriétés particulières. En effet, celui-ci peut être qualifié de liquide non-newtonien.

LES LIQUIDES

On reconnait deux types de liquides d´après les lois de Newton. Il s´agit des fluides newtoniens et des fluides non-newtoniens. On observe dans les milieux naturels (comme par exemple les sables mouvants), de nombreuses propriétés physiques qui peuvent être mises au profit de l’homme. Dans le même type d’observation, nous nous sommes penchés sur l’étude de l’amidon de maïs, couramment appelé Maïzena

FLUIDE NEWTONIEN

Il s´agit des fluides dont la viscosité est constante quelle que soit l’intensité du cisaillement qui lui est appliqué (dans la limite d’un écoulement en régime laminaire).

En termes usuels, cela signifie que le fluide continue de s’écouler indépendamment des forces extérieures qui agissent sur lui. Par exemple, l’eau est un fluide newtonien parce qu’elle continue de montrer les propriétés d’un fluide quelle que soit la vitesse à laquelle elle est agitée. Les solutions aqueuses et les huiles de faibles viscosités, la plupart des solvants sont des exemples de fluides newtoniens. Pour un fluide newtonien, la viscosité, par définition, ne dépend que de la température et de la pression (mais elle dépend aussi de la composition chimique du fluide si ce n'est pas un corps pur), non des forces agissant sur l'élément de fluide.

FLUIDE NON-NEWTONIEN

Pourquoi appelle-t-on cela un fluide non-newtonien ?

Newton était à l'origine de la mécanique des fluides, il a étudié le comportement des fluides, seuls des fluides newtoniens entrent dans la mécanique des fluides, c'est pourquoi les autres sont considérés comme non-newtoniens.

Un fluide non-newtonien est un liquide dont la viscosité peut varier en fonction de la contrainte mécanique qu'on lui applique, ou du temps pendant lequel est appliquée cette contrainte. On parle de contrainte quand on applique une force sur un matériau.

On distingue plusieurs types de comportement non-newtonien :

· Fluides rhéofluidifiants : quand on les agite ou qu'on les presse, ils deviennent plus fluides, donc moins visqueux, ils s'écoulent plus facilement.

· Fluides rhéoépaississants : au contraire, quand on les agites , ils deviennent plus visqueux, plus difficiles à mélanger, ils se figent parfois. C'est le cas de notre mélanage étudié: maïzena+eau ou d'une solution d'alcool polyvinylique dans l'eau : au-delà d'une certaine concentration, quand on agite fortement la solution liquide, celle-ci devient plus visqueuse et peut même se gélifier.

RECETTE

Pour obtenir le mélange avec des propriétés non-newtoniens il faut mettre environ 2/3 de la Maïzena dans un bol, puis ajoutez petit à petit environ 1/3 d'eau jusqu'à obtenir un mélange fluide mais pas trop liquide.

Pour savoir si c'est prêt : frappez rapidement la surface avec le bout des doigts : elle a l'air solide!

Si le mélange est trop plâtreux ajoutez une cuillère d'eau.
Si le mélange est trop liquide rajoutez un peu de maïzena.

Quand c'est prêt versez du mélange liquide dans le creux de votre main gauche, puis avec la main droite essayez d'en faire une boulette. Surprise: ça marche mais dès que vous arrêtez de malaxer ... la boulette redevient liquide.

Eau(ml)	Maïzena(g)	Etat au repos	Etat sous contrainte
100	50	liquide	liquide
100	75	liquide	liquide
100	100	liquide	liquide/solide
100	125	liquide	solide
100	150	visqueux/pâteux	solide

COMMENT CELA FONCTIONNE?

L'amidon de maïs est un polysacharide de formule chimique (C6H10O5)n, il se présente sous forme de granules semi-cristallines .
Puis, il est possible d´observer de la maïzena au microscope optique avec un grandissement X1000 :

Photo de la fécule de maïs sèche au microscope optique(X1000)

Cette photo montre que la fécule de maïs se compose de petits grains d’amidon plus ou moins lisses, de quelques dizaines de micromètres.

Photo du mélange maïzena/eau au microscope optique X1000

Ensuite nous pouvons voir ce qu’il se passe lorsqu´un mélange d’eau et de maïzena se fait afin de savoir pourquoi ce mélange est non-newtonien.

Grâce à cette expérience on peut constater que les grains d’amidon de maïs sont hydrophobes : la taille des grains d’amidon avec ou sans eau reste identique. L’amidon n’absorbe pas l’eau froide.

Ainsi l’eau remplit les interstices entre les grains et crée donc un colloïde.Nous pouvons donc expliquer le comportement étrange de ce mélange :

Lorsque la suspension colloïdale est au repos ou subit de faibles forces, les grains de maïzena peuvent s’organiser en feuillets (eau/grains/eau/grains/etc.) ce qui favorise la fluidité du mélange.

Schéma des feuillets lorsque la suspension colloïdale est au repos

Schéma des feuillets lorsque la suspension colloïdal est sous cisaillement

Cependant lorsque que le colloïde subit d’intenses forces de cisaillement, les grains n’ont pas le temps de se réarranger et forment des agrégats qui bloquent l’écoulement de l’eau et le mélange devient donc solide.

Afin d'expliquer l'expérience aux enfants, on peut faire l'analogie avec l'approche d'un chat. Si l'on arrive en courant près d'un chat (=le doigt s'approche brutalement), le chat s'enfuit (=les molécules d'eau qui s'en vont). Par contre si l'on y va tout doucement, le chat reste (= le doigt qui s'approche doucement).

EST-CE QU'ON OBTIENT LE MÊME RÉSULTAT AVEC LA FARINE DE BLÉ, LA FARINE DE POMME DE TERRE ET AVEC DE L'HUILE

H2O + FARINE DE BLÉ

Le mélange H2O + la farine de blé ne posséde pas de propriétés d´un fluide non-newtonien car la farine de blé contient en plus de ce qui est présent dans de la maïzena, du gluten. Dans la constitution du gluten , on remarque la présence d´une protéine - la gliadine qui forme des liaisons intermoléculaires ( liaisons entre molécules différentes. Les forces de liaison intermoléculaires sont des forces d’attraction entre les molécules. Ces forces sont responsables de la cohésion des liquides et des solides moléculaires). Ces liaisons freinent l'écoulement et bloquent la sortie des molécules.

Conclusion : On voit que le mélange avec la maïzena est plus fluide que celui avec la farine de blé. La présence de gluten dans la farine de blé explique pourquoi les propriétés des liquides non-newtoniens ne se présentent pas. Les molécules d'eau et de la farine de blé ne sont pas mobiles les unes par rapport aux autres. L'eau ne peut s'insérer entre les molécules de la farine de blé et ne permet pas de glissement des molécules entre elles.

H2O + LA FARINE DE POMME DE TERRE

Fécule de pomme de terre est similaire à celle de maïzena donc c'est un fluide rhéoépaississant et non newtonien. Elle ne contient pas de gluten et elle est constitué d´amidon de pomme de terre.

MAIZENA + L'HUILE

Après avoir fait le mélange maïzena avec de l'huile d'olive, on constate que ce mélange ne possède pas de propriétés physique des fluides non-newtoniens.

ALORS...

On a remarqué que la composition de la maïzena et de la farine de fécule de pomme de terre comporte la prescription "sans gluten", ce qui n'est pas le cas de la farine de blé qui en contient. On peut donc émettre une hypothèse : La différence de réaction des mélanges est due à la composition des farines et du solvant utilisés. Donc la présence de gluten empêcherait le phénomène de se produire.

CONCLUSION

L’idée d’utiliser la Maïzena, simple outil de cuisine, pour faire des expériences, semble au premier abord quelque peu fantaisiste. Nous avons montré avec cette expérience que le mélange eau/maïzena n'est pas si banal. En effet, ce fluide peut prendre deux formes : liquide au repos et solide quand on lui applique une pression. Ceci est du au fait qu'il appartient à la famille des fluides non-newtoniens.