Métamatériaux : des barres fortement torsadées stockent de grandes quantités d'énergie
De nouveaux métamatériaux mécaniques développés au KIT présentent une grande rigidité et une densité d'énergie élastique élevée
Une équipe internationale de chercheurs coordonnée par l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) a développé des métamatériaux mécaniques à haute densité d'énergie élastique. Grâce à des tiges fortement torsadées qui se déforment en spirale, ils présentent une grande rigidité et peuvent absorber et restituer de grandes quantités d'énergie élastique. Les chercheurs ont confirmé leurs résultats, d'abord théoriques, par de simples expériences de pression. Ils en rendent compte dans la revue spécialisée Nature.
Le modèle montre la déformation en spirale du métamatériau. Grâce à ce mécanisme, il est possible de stocker une grande quantité d'énergie sans provoquer de rupture.
IAM, KIT / Collage: Anja Sefrin, KIT
Qu'il s'agisse de ressorts pour l'absorption d'énergie, de tampons pour le stockage d'énergie, mais aussi de structures flexibles dans la robotique ou dans les machines à haute efficacité énergétique : de nombreuses technologies nécessitent un stockage d'énergie mécanique. L'énergie cinétique, c'est-à-dire l'énergie de mouvement, ou le travail mécanique correspondant sont transformés en énergie élastique de manière à pouvoir être entièrement libérés en cas de besoin. L'enthalpie, c'est-à-dire la densité d'énergie qui peut être stockée et récupérée dans un élément de matériau, est le paramètre central à cet égard. Peter Gumbsch, professeur de mécanique des matériaux à l'Institut des matériaux appliqués (IAM) du KIT, explique le défi que représente l'obtention d'une enthalpie aussi élevée que possible : "La difficulté consiste à combiner des propriétés contradictoires : une grande rigidité et une grande déformation réversible avec une résistance limitée".
Des barres déformées en spirale sont habilement disposées dans des métamatériaux
Les matériaux conçus artificiellement, tels qu'ils n'existent pas dans la nature, appelés métamatériaux, permettent d'adapter les propriétés effectives des matériaux, car ils peuvent être construits à partir d'unités déterminées individuellement. Peter Gumbsch, qui dirige également l'Institut Fraunhofer pour la mécanique des matériaux (IWM) à Fribourg, a réussi, au sein d'une équipe de recherche internationale de Chine et des États-Unis, à développer des métamatériaux mécaniques à haute densité d'énergie élastique récupérable. "Nous avons d'abord découvert un mécanisme permettant de stocker une grande quantité d'énergie dans une simple barre ronde sans que celle-ci ne se brise ou ne se déforme durablement", explique Gumbsch. "Nous avons ensuite intégré ce mécanisme dans un métamatériau grâce à un agencement astucieux des barres".
Les scientifiques décrivent le mécanisme à l'aide du fonctionnement d'un ressort de flexion classique. Celui-ci est limité dans sa déformation maximale par le fait que des tensions de traction ou de compression élevées apparaissent sur les faces supérieure et inférieure, ce qui entraîne une rupture ou une déformation plastique durable. Dans un tel ressort de flexion, l'ensemble du volume intérieur n'est que faiblement sollicité. Mais si, au contraire, une barre se tord, c'est-à-dire qu'elle se tortille, toute la surface est également soumise à des tensions élevées, mais le volume intérieur non sollicité est nettement plus petit. Pour pouvoir réellement utiliser ce mécanisme, la torsion doit toutefois être suffisamment importante pour entraîner une déformation complexe en spirale.
L'enthalpie est deux à 160 fois plus élevée que pour d'autres métamatériaux
Les chercheurs ont réussi à intégrer de telles barres soumises à la torsion et à la déformation en spirale dans un métamatériau qui peut être utilisé macroscopiquement sous des charges uniaxiales. Sur la base de simulations, ils ont prédit que le métamatériau possède une grande rigidité et peut donc absorber de grandes forces. En outre, il présente une enthalpie deux à 160 fois plus élevée que les autres métamatériaux. Ils l'ont confirmé en réalisant des expériences de pression simples sur différents métamatériaux chiraux, c'est-à-dire des métamatériaux dont les structures sont construites en miroir.
"Nos nouveaux métamatériaux dotés d'une capacité de stockage d'énergie élastique élevée pourraient être utilisés à l'avenir dans différents domaines où un stockage d'énergie efficace et, en même temps, des propriétés mécaniques exceptionnelles sont nécessaires", a déclaré Gumbsch. Outre l'accumulation d'énergie dans les ressorts, on pourrait également envisager l'absorption ou l'amortissement des chocs ainsi que des structures flexibles dans la robotique ou dans les machines à haute efficacité énergétique. Mais les rotations qui se produisent à l'intérieur des métamatériaux pourraient également être utilisées dans des articulations purement élastiques.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
