Comment les aimants influencent le comportement des métamatériaux ?

Découper des motifs dans des matériaux élastiques permet de les déplier en nouvelles formes, et des chercheurs viennent de démontrer la capacité à contrôler la séquence de ce dépliage en aimantant les matériaux. Ce travail représente une avancée fondamentale dans notre compréhension du comportement des métamatériaux et a également prouvé son utilité dans des applications axées sur l’absorption d’énergie cinétique.

« Si vous découpez un motif en T dans une feuille de polymère, vous avez créé un métamatériau, car vous avez modifié les propriétés du matériau », explique Haoze Sun, premier auteur de l’article et doctorant à l’Université d’État de Caroline du Nord.

« Si vous tirez sur la feuille de métamatériau, toutes les découpes s’ouvrent essentiellement en même temps. Ces ouvertures créent un motif en forme de treillis et étendent la longueur de la feuille.

« Nous étions curieux de savoir ce qui se passerait si nous incorporions des matériaux magnétiques dans le polymère et aimantions la feuille. Ce comportement de « claquement » changerait-il ? Et ce que nous avons découvert était surprenant. »

« Nous avons constaté qu’au lieu de s’ouvrir d’un coup, les rangées du motif s’ouvraient une par une, car la force magnétique tente de maintenir les morceaux de la feuille ensemble tandis que la force de gravité tente de les séparer », indique Jie Yin, auteur correspondant de l’article et professeur en ingénierie mécanique et aérospatiale à NC State. « Mais ce n’était que le début. »

Les chercheurs ont découvert que les rangées de chaque feuille s’ouvraient dans un ordre aléatoire. Cependant, chaque feuille répétait le même ordre à chaque fois. Ainsi, si les rangées de la Feuille A s’ouvraient dans l’ordre 1-2-3, elles s’ouvraient toujours en 1-2-3. Et si les rangées de la Feuille B s’ouvraient dans l’ordre 3-1-2, elles s’ouvraient toujours dans l’ordre 3-1-2.

« Nous avons découvert que de petits défauts inévitables étaient responsables de la détermination de l’ordre d’ouverture de chaque rangée », précise Sun. « Et, comme ces défauts ne changent pas, l’ordre ne change pas. Cela, en soi, était intéressant. »

Les chercheurs ont ensuite expérimenté en plaçant plusieurs feuilles aimantées côte à côte, en les fixant ensemble en haut et en bas.

Ils ont constaté que connecter deux feuilles dos à dos de manière à ce que leurs champs magnétiques se repoussent entraînait l’ouverture des rangées de manière ordonnée, de haut en bas, 90 % du temps.

« Il y a donc deux observations intéressantes ici », souligne Yin. « Premièrement, nous pouvons faire en sorte que le métamatériau s’ouvre séquentiellement, plutôt que d’un coup, en aimantant la feuille. Deuxièmement, nous pouvons réduire considérablement le hasard dans ce comportement en alignant correctement ces métamatériaux. »

Les chercheurs ont également constaté que ce phénomène présente une utilité dans le contexte des applications d’absorption d’énergie.

« Nous avons constaté que le métamatériau élastique aimanté pouvait absorber 30 % d’énergie cinétique de plus que le métamatériau non aimanté », explique Sun. « Et nous pouvons contrôler la quantité d’énergie absorbée en contrôlant la force de l’attraction magnétique interne. Plus le magnétisme est fort, plus le métamatériau peut absorber d’énergie. »

Les chercheurs ont démontré cela en laissant tomber une balle sur le métamatériau. La balle rebondit sur le métamatériau non aimanté mais se repose simplement dans le métamatériau aimanté.

 « Nous sommes enthousiasmés par les orientations futures de ce travail », déclare Yin. « La séquence de claquement ordonnée peut trouver des applications potentielles dans le guidage de la propagation des ondes, la robotique reconfigurable et les dispositifs biomédicaux. »

L’article, « Magnetic coupling transforms random snapping into ordered sequences in soft metamaterials », sera publié en libre accès le 20 mars dans la revue Science Advances. L’article a été co-écrit par Yinding Chi, docteur de NC State, maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Pennsylvanie ; Haitao Qing, docteur de NC State, maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Californie, Berkeley ; Gabriel Alkuino et Teng Zhang de l’Université de Syracuse ; et Yevhen Zabila et Denys Makarov du laboratoire Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf en Allemagne.

Article : Magnetic coupling transforms random snapping into ordered sequences in soft metamaterials – Journal : Science Advances – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : NCSU