Silly Putty

Silly Putty
Par , le (édité le 25/08/2014)

Introduction

Cette page explique d'où viennent les propriétés étranges d'un polymère particulier: le Silly Putty. Trois expériences sont en lien avec cette page :

Thinking Putty
"Thinking Putty". Différentes marques vendent du Silly Putty sous des noms variables.

Qu'est-ce que le Silly Putty ?

Aspect extérieur

Le Silly Putty est un matériau très spécial. A première vue, cela ressemble à de la pâte à modeler, mais ses propriétés physiques sont en réalité très différentes. Il peut se comporter comme un solide : si tu le jettes contre un mur suffisamment fort, il peut se casser en morceaux. Il est aussi élastique et rebondit comme une balle rebondissante. Mais il est aussi suffisamment mou pour pouvoir être sculpté. Cependant, contrairement à de la pâte à modeler, il coule comme un liquide si tu attends suffisamment longtemps.


Où trouver du Silly Putty ?

Il est vendu comme jouet. Le Silly Putty original est vendu dans un œuf en plastique, mais d'autres marques le vendent aussi sous des noms divers : "Thinking Putty", "Magic Putty", "Putty" tout court... De nombreux revendeurs sur internet permettent de le commander en France (sur eBay ou Amazon) et on en trouve dans des magasins de farces et attrapes.


Structure microscopique

Les propriétés décrites ci-dessus sont reliées à la structure microscopique du Silly Putty. C'est un polymère fondu, ce qui signifie qu'il est constitué de très longues molécules enchevêtrées les unes entre les autres, comme dans un plat de spaghettis. Plus précisément, le Silly Putty est principalement constitué du polymère PDMS (polydiméthylsiloxane). Voyons comment ça marche.


Haute viscosité

Le Silly Putty est extrêmement visqueux. Regarde cette expérience pour t'en convaincre. C'est un polymère, c'est-à-dire que le matériau est fait de très longues chaines d'atomes : quelques 10000 ou 100000 atomes par chaine pour le Silly Putty. C'est énorme comparé à l'eau dont chaque molécule est faite d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène, ce qui signifie que les chaines du polymères sont très grandes par rapport à la taille d'une molécule d'eau.

Dans l'eau liquide, en raison de la petite taille des molécules, celles-ci peuvent facilement glisser les unes contre les autres. L'eau coule facilement ; elle est liquide et peu visqueuse.

Eau et polymère fondu
L'eau (à gauche) est faite de petites molécules qui peuvent se déplacer facilement les unes par rapport aux autres. Dans un polymère fondu (à droite), les chaines peuvent également se déplacer, mais plus difficilement à cause de leur longueur et de leur enchevêtrement. Un polymère est donc généralement plus visqueux que de l'eau. Dans les deux cas, les molécules sont en réalité beaucoup plus proches les unes des autres que ce qui est indiqué sur les schémas.

Dans un polymère tel que du Silly Putty, les molécules (longues chaines) peuvent se déformer : elles peuvent se plier, faire des pelotes... mais ne peuvent pas se casser. Grâce à cette dextérité, les molécules peuvent là encore glisser les unes contre les autres. Le Silly Putty est donc aussi un liquide. Bien que les chaines puissent bouger, c'est cependant beaucoup plus difficile, car elles sont entremêlées : si la tête d'une chaine veut avancer, elle doit tirer tout le reste de son corps pour avancer, et changer sa forme pour s'adapter au chemin contraint par les autres molécules environnantes, exactement lorsque l'on tire un spaghetti d'un plat. Pour cette raison les polymères sont généralement beaucoup plus visqueux que des liquides normaux.

En fait, le Silly Putty est encore plus visqueux qu'un polymère normal. Ceci est du à la possibilité pour les chaines de créer des liens temporairement avec les chaines voisines. Ces interactions rendent le glissement entre les molécules encore plus difficile.


Viscoélasticité

L'expérience suivante montre en fait que le Silly Putty est à la fois liquide (il coule, bien que très lentement) et solide (comme une balle rebondissante). Le caractère visqueux ou élastique dépend de l'échelle de temps des déformations du polymère: lente pour voir la viscosité et rapide pour voir le comportement solide.

Pour comprendre ce phénomène, il faut encore se rappeler que les chaines sont entremêlées comme dans un plat de spaghettis. Quand le polymère est étiré lentement, les chaines peuvent glisser les unes contre les autres comme expliqué dans la section précédente et comme illustré dans le schéma ci-dessous (droite). Quand le polymère est étiré rapidement, les chaines n'ont pas le temps de glisser. Dans ce cas, les chaines vont se déformer pour suivre la déformation macroscopique appliquée, mais chaque molécule va rester proche des mêmes voisins pendant toute la déformation. C'est donc une déformation globale du réseau de molécules lui-même et pas une réorganisation du réseau qui se produit. Cette déformation est réversible, c'est-à-dire que si l'on lâche le polymère étiré, il va revenir à sa forme initiale, et le réseau de chaines sera identique au réseau initial (schéma de gauche).

Elasticité et viscosité
Vue microscopique d'un polymère viscoélastique. Droite : Lorsqu'une force est appliquée pour étirer un morceau du matériau sur une longue durée, les chaines de polymère vont changer leur configuration de manière irréversible, conduisant à une déformation irréversible. Gauche : A des échelles de temps courtes, les chaines changent leur forme pour rendre l'extension possible, mais elles retrouvent leur position initiale lorsque le polymère est relâché. Un polymère viscoélastique possède ces deux propriétés en fonction de la durée des déformations appliquées.

Thixotropie

Une dernière propriété très étrange du Silly Putty est sa thixotropie. Cela signifie que la viscosité du polymère dépend de ce qu'on lui a fait subir avant. Vois cette expérience. Pour ce polymère, la viscosité augmente quand il est laissé immobile. Ceci est probablement une conséquence de la possibilité de créer des liens temporaires entre les chaines ainsi que de leur possible destruction lorsque le polymère est malaxé. Lorsque le polymère est laissé longtemps sans être déformé, les chaines prennent peut-être ainsi une configuration où elles interagissent plus fortement en favorisant la création de liens temporaires (par exemple en s'alignant). Déformer le polymère en le malaxant "remet à zéro" ces configurations alignées ou ces liens, en réduisant ainsi la viscosité.