La Maïzena (fécule de maïs) a ceci d’intéressant que mélangée à l’eau elle se comporte comme un liquide peu visqueux lorsqu’on la manipule lentement ; en revanche elle devient très visqueuse, voire solide, lorsqu’on la manipule rapidement.
L’expérience montre qu’on peut marcher sur une piscine rempli de Maïzena, à condition d’aller assez vite ; le cas échéant on s’enfonce comme dans un sable mouvant, voire dans l’eau !
La Maïzena, à l’instar du sable, est un fluide dit rhéoépaississant : le sable mouillé est maléable à souhait, comme un pâte ; en revanche quand on donne un coup de poing, il a la viscosité élevée d’un solide (au point qu’on puisse se faire mal si on tape plusieurs fois).
Plus précisément, ces fluides ne sont pas newtoniens : un fluide newtonien est un fluide dont la viscosité est constante (elle ne varie pas avec la vitesse), ce qui n’est pas le cas présentement. On peut même dire que le tenseur des contraintes visqueuses (matrice résumant les vecteurs-contrainte, “supervecteur” en quelque sorte – à ne pas confondre avec les torseurs) n’est pas une fonction linéaire du tenseur des déformations !
Typiquement, l’eau est un fluide newtonien : qu’on s’y déplace lentement ou vite, la résistance qu’elle oppose au mouvement est la même (bien qu’on la ressente différemment).
La Maïzena contient de l’empois (amidon), c’est ce qui lui confère cette propriété étrange. Plus généralement, les pâtes obtenues par dispersion d’une suspension coloïdale, comme lesplastisols se comportent ainsi. Certains miels sont rhéoépaississants.
Colloïde
La pectine (polysaccharide), certaines protéines, telles l’ovalbumine ou la gélatine, forment des suspensions colloïdales, permettant de confectionner des flans et des gelées. L’amidon, justement, ou la cellulose, peuvent également former des colloïdes. Les peintures sans odeur, le lait et le plasma sanguin sont des suspensions colloïdales. Le mot “colloïde” a été forgé par le chimiste Thomas Graham (1805-1869), car ces substances ne diffusent pas à travers unemembrane semi-perméable. Cela confère à certains mélanges, telle la mayonnaise, des propriétés chimiques particulières, telle la floculation (aptitude à former des flocons, grumeaux…).
Les substances colloïdales sont généralement issues du vivant, telle la Maïzena qui n’est autre que la farine de maïs ! Ces composés contiennent en effet des protéines, lesquelles ont des propriétés chimiques tout-à-fait rares.
Le lait caille (par séparation des caséines et du lactosérum, ou petit-lait). La présure stimule ce phénomène grâce à une enzyme, la chymosine.
Le sang coagule, grâce au fibrinogène surtout.
En hiver, quand il fait froid, les mains deviennent violettes en raison de la vasoconstriction des extrémités, mais si la température continue à baisser (ou si on est atteint de la maladie de Raynaud), des tâches orangées apparaissent : elles sont dues à la précipitation descryoglobulines, protéines immunitaires ayant la particularité de précipiter dès que la température interne est inférieure à 37° C.
Tout cela pour dire que les espèces biochimiques ont des propriétés plus complexes que leurs cousines issues de la chimie “ordinaire”.
Le caractère rhéoépaississant de la Maïzena se rapproche de l’antithixotropie, propriété qu’ont les fluides voyant leur viscosité augmenter lorsqu’ils sont soumis à un taux de cisaillement constant. Dans le cas de la Maïzena, sa viscosité augmente lorsqu’elle est soumise à un gradient de vitesse.
La crème chantilly et la boue d’argile sont également rhéoépaississant mais pour la chantilly ce n’est pas flagrant.
A côté de l’antithixotropie (du grec thiksis, action de toucher), se trouve bien sûr la thixotropie, phénomène par lequel certains mélanges passent de l’état de gel à celui de liquide par une simple agitation. Cela désigne également la propriété d’un sédiment meuble et gorgé d’eau de devenir brusquement liquide sous l’effet d’un ébranlement mécanique qui remet les particules en suspension dans l’eau : c’est le phénomène qui provoque l’enlisement dans les sables mouvants.
La rhéopexie, quant à elle, est la propriété d’une substance qui se solidifie quand on l’agite et revient à son état initial après cessation de l’effort, en un temps plus ou moins long.
La pâte à pizza est également rhéoépaississante : lorsque le cuisiner la travaille elle est dure (ce qui permet d’en faire une boule), mais au repos, elle s’affaisse !
Proche du caractère rhéoépaississant… le caractère rhéofluidifiant ! Comme chacun sait, si on a vraiment envie de ketchup et qu’il n’en reste plus beaucoup, rien de tel que de taper au fond de la bouteille ! Le ketchup, visqueux normalement, devient plus liquide et coule… dans le plat. La peinture, visqueuse dans le pot, se fluidifie également sur le pinceau.
Le dentifrice, lui, est un liquide dit à seuil : son écoulement en dehors du tube nécessite une contrainte (pression) suffisante.
Quant à la mayonnaise, déjà évoquée, elle est ce qu’on appelle un fluide de Bingham (ou quasi-solide) : on peut y imprimer des plis, des trous et des crêtes, car sous de faibles contraintes de cisaillement, les fluides de Bingham se comportent comme des solides.
Plis et crêtes à la surface d’une mayonnaise.
On peut ajouter qu’il s’agit d’un milieu viscoplastique, c’est-à-dire régi par la loi de Norton-Hoff.
Tous ces phénomènes ont été et sont toujours largement étudiés dans l’industrie alimentaire, friande de gélatine, et l’industrie cosmétique, raffolant de gels. La pharmacie galénique s’y intéresse également : il est bon de connaître les propriétés des médicaments administrés ! Et la physique des matériaux, bien sûr, cherchant notamment la limite d’élasticité, ou la perte de charge grâce à l’équation de Darcy-Weisbach…
Que de mots savants en tout cas, pour un phénomène assez spectaculaire, il faut l’admettre !
La rhéologie des pâtes est assez complexe. Page 95 de sa thèse, le Docteur ès physique Nicolas Huang étudie les propriétés rhéologiques de la Maïzena : http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/17/42/91/PDF/Nicolas_Huang_-_These.pdf
Le Docteur Abdoulaye Fall étudie également la rhéologie des fluides complexes : http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/32/24/49/PDF/These_afall_2008.pdf
Voir un cours de l’ESPCI (Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles) sur les fluides non newtoniens : http://www.espci.fr/enseignement/download.php?e=mflu&id=71