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5/03/2015

Des grains de sable dans l'ordinateur

Reconstruction tomographique Reconstruction tomographique et visualisation des forces entre chaque grain, à partir d’images de chaque "tranche" d’un milieu granulaire.

À quelle logique répondent les mouvements des millions de graines présentes dans un silo ? Une énigme sur laquelle butent les physiciens depuis plus d’un siècle. Les travaux de Nicolas Brodu, chercheur en postdoctorat au sein de l’équipe-projet Geostat d’Inria Bordeaux - Sud-Ouest, contribuent à lever une partie du voile.

Qui, en voulant prendre une poignée de grains dans un sac, n’a jamais été stupéfait de constater à quel point il est difficile d’enfoncer sa main bien loin, puis de voir les grains couler comme de l’eau entre ses doigts ? Ces effets résultent du comportement collectif des grains – ces derniers n’ayant pas changé quand on les attrape – et sont typiques des systèmes complexes, que Nicolas Brodu étudie depuis plusieurs années. Ses dernières recherches font l’objet ce mois-ci d’une publication dans la prestigieuse revue Nature Communications . C’est en associant les compétences de cet informaticien avec celles de l’expérimentateur Joshua Dijksman, et en s’appuyant sur l’expérience du physicien américain Robert P. Behringer, qu’ils ont pu tous trois mener à bien ce projet pluridisciplinaire.

De l’expérimentation…

Afin de vérifier expérimentalement le comportement d’un ensemble de grains, Joshua Dijksman a conçu un dispositif pour le déformer de façon contrôlée. Nicolas Brodu a conçu les algorithmes pour mesurer les forces qui s’exercent entre chaque grain. Ensemble, ils recréent en laboratoire des déformations similaires à un passage de véhicules sur une route, ou au déclenchement d’une avalanche de roches, et sont capables de mesurer directement les forces à l’œuvre au sein du milieu, en 3D. « Cet outil fonctionne sur le principe d’un scanner,explique Nicolas Brodu. Il s’agit d’un tomographe, qui permet d’observer les mouvements de la matière et les forces qui s’y exercent avec une bonne précision. C’est une véritable première.  » Pour concevoir ce tomographe, Nicolas Brodu et Joshua Dijksman ont passé un an et demi à Duke University à Durham, en Caroline du Nord, sous l'égide de Robert P. Behringer, l'une des autorités mondiales en physique des matériaux granulaires. Nicolas Brodu a ensuite rejoint le centre Inria Bordeaux - Sud-Ouest, où il a continué ces travaux, pour lesquels il maintient une collaboration active, en parallèle de ses recherches au sein de l'équipe Geostat.

… à la simulation

Si ces résultats de recherche intéressent particulièrement les physiciens, c’est d’abord parce qu’il s’agit du premier dispositif pouvant mesurer directement les forces s'exerçant entre chaque grain, en 3D, de façon précise et tout en contrôlant les déformations du matériau. Pour la première fois, on peut donc également valider les modèles numériques de ces déformations par des mesures… et s’apercevoir de leurs limites. Nicolas Brodu a donc proposé un nouveau modèle d’interaction entre les grains, qui prend mieux en compte leurs contacts multiples au sein du matériau. Il a ensuite simulé l’expérience rapportée dans l’article Nature Communications le plus fidèlement possible. Le très faible écart entre les prévisions du modèle proposé par Nicolas Brodu et les mesures effectuées à Durham laisse présager d'autres avancées en physique des matériaux. Ce travail de simulation numérique fait d'ailleurs l'objet d'une autre publication, dans Physical Review E .

« L’informatique est devenue une composante fondamentale de la méthode scientifique, non plus juste un outil, mais une partie prenante de la façon de mesurer, modéliser et prédire la nature,conclut-il. Ce qu’on appelle système complexe aujourd’hui n’est qu’un reflet de ce changement, de notre propre incapacité à percevoir et à comprendre les phénomènes d’ensemble sans l’aide des ordinateurs. En rendant ces effets abordables, l’informatique scientifique et pluridisciplinaire est déjà la norme de demain. »

« Nous sommes passés de la 2D à la 3D ! »

« Pour la première fois, des chercheurs sont parvenus à modéliser les éléments constitutifs des milieux granulaires en trois dimensions sous des formes plus proches de la réalité que de simples sphères. C'est un progrès considérable car depuis les années soixante, nous étions bloqués sur des représentations en deux dimensions. Avec ce passage à la 3D, nous avons une vaste réserve d'hypothèses à vérifier. Notre priorité porte sur les conditions de passage entre les différents états d’un ensemble de grains, par exemple d'un comportement solide à un fluide. De nombreux dysfonctionnements dans l'industrie, parfois lourds de conséquences, résultent des inconnues qui demeurent. Bien sûr, nous ne sommes qu'au commencement de ces travaux : nous devons notamment mieux prendre en compte les frictions. Mais les outils mis au point lors de cette collaboration continuent d'être complétés quotidiennement. »

Témoignage - Robert P. Behringer, professeur de physique, Duke University, Etats-Unis

Mots-clés : Informatique Physique Collaboration pluridisciplinaire Tomographie

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