Un matériau aux propriétés d'allongement inédites a été développé
Des chercheurs du KIT fabriquent un métamatériau qui s'étire et se comprime différemment des matériaux traditionnels
Les métamatériaux sont des matériaux développés artificiellement qui n'existent pas dans la nature. Leurs éléments constitutifs fonctionnent comme les atomes des matériaux traditionnels, mais possèdent des propriétés optiques, électriques ou magnétiques particulières. L'interaction entre les éléments constitutifs est décisive pour la fonction : Jusqu'à présent, celle-ci n'était généralement possible qu'avec des éléments directement voisins, c'est-à-dire localement. Des chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont mis au point un métamatériau mécanique qui permet de déclencher ces interactions à plus grande distance dans le matériau. Ce matériau pourrait trouver des applications lorsqu'il s'agit de mesurer des forces ou de surveiller la statique.
Le groupe de travail du professeur Martin Wegener à l'Institut de physique appliquée (APH) du KIT a ainsi réussi à surmonter une limitation dans les métamatériaux. L'auteur principal, le Dr Yi Chen, compare cela à la communication humaine et à un effet que l'on connaît du jeu "La Poste silencieuse" : si l'on communique avec une personne par le biais d'un intermédiaire, il peut en résulter quelque chose de complètement différent que lors d'une conversation directe avec cette personne. Ce principe s'applique également aux métamatériaux, explique Chen. "Le matériau que nous avons conçu possède des structures spéciales (en rouge sur l'illustration). Celles-ci permettent à certains blocs de construction de 'communiquer' non seulement par l'intermédiaire de leurs voisins avec des blocs de construction plus éloignés, mais aussi directement avec tous les autres blocs de construction du matériau", explique le scientifique.
Expériences sur des échantillons microscopiques imprimés en 3D
"Ces structures confèrent au matériau des propriétés fascinantes, par exemple des propriétés d'extension inhabituelles", rapporte le co-auteur Ke Wang de l'APH. L'équipe a pu le démontrer sur des échantillons de matériaux de taille micrométrique, qu'elle a fabriqués à l'aide de la technologie d'impression laser 3D, examinés au microscope et enregistrés à l'aide d'une caméra. Il s'est avéré qu'un brin unidimensionnel (1D) tiré à partir d'une extrémité ne s'étendait pas de manière uniforme.
Contrairement à un élastique, par exemple, qui s'étire uniformément lorsqu'il est tiré, le métamatériau présentait même des compressions à certains endroits. De plus, les sections courtes du métamatériau s'étiraient parfois plus que les sections plus longues, même si la même force était appliquée partout. "Ce comportement inhabituel, selon lequel les étirements et les compressions individuels ne se produisent que localement, n'est pas possible dans les matériaux traditionnels", explique Jonathan Schneider de l'APH, également co-auteur. "Nous allons maintenant étudier ce phénomène sur des matériaux bidimensionnels (de type plaque) et des matériaux tridimensionnels".
Une propriété potentiellement utile pourrait également être que le métamatériau réagit de manière très sensible aux contraintes. Selon le point du matériau où la force est appliquée, cela peut entraîner des réactions de dilatation totalement différentes, même à des points plus éloignés. Selon l'équipe de recherche, dans un matériau traditionnel, les réactions ne peuvent être observées qu'au point d'application de la force, tandis que les effets à des endroits éloignés du matériau sont faibles ou négligeables. Un matériau doté d'une telle sensibilité pourrait être précieux pour les applications où les forces doivent être mesurées à plus grande échelle, par exemple pour la surveillance des déformations des bâtiments dans l'ingénierie ou pour la caractérisation des forces cellulaires dans la recherche biologique.
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