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La découpe de motifs dans des matériaux élastiques permet de déplier ces derniers pour leur donner de nouvelles formes, et des chercheurs ont désormais démontré qu'il était possible de contrôler l'ordre dans lequel ce dépliage s'effectue en magnétisant les matériaux. Ces travaux constituent une avancée fondamentale dans notre compréhension du comportement des métamatériaux et ont également démontré leur utilité dans des applications visant à absorber l'énergie cinétique.

La découpe de motifs dans des matériaux élastiques permet de déplier ces derniers pour leur donner de nouvelles formes, et des chercheurs ont désormais démontré qu'il était possible de contrôler l'ordre dans lequel ce dépliage s'effectue en magnétisant les matériaux. Ces travaux constituent une avancée fondamentale dans notre compréhension du comportement des métamatériaux et ont également démontré leur utilité dans des applications visant à absorber l'énergie cinétique. (Crédit : Haoze Sun, NC State University)

Comment les aimants influencent le comportement des métamatériaux ?

par La rédaction
26 mars 2026
en Matériaux, Technologie

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. »

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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

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Tags: absorptiondepliagemagnetismemetamateriaux
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Cutting patterns into elastic materials allows you to unfold those materials into new shapes, and researchers have now demonstrated the ability to control the sequence in which that unfolding happens by magnetizing the materials. The work represents a fundamental advance in our understanding of metamaterial behavior and has also demonstrated its utility in applications focused on absorbing kinetic energy.

“If you cut a T-pattern into a polymer sheet you’ve created a metamaterial, because you’ve changed the properties of the material,” says Haoze Sun, first author of a paper on the work and a Ph.D. student at North Carolina State University. “If you pull the metamaterial sheet, all the cuts essentially pop open at once. These openings create a mesh-like pattern and extend the length of the sheet.

“We were curious about what would happen if we incorporated magnetic materials into the polymer and magnetized the sheet. Would this ‘snapping’ behavior change? And what we found was surprising.”

“We found that instead of snapping open all at once, the rows in the pattern snapped open one at a time, because the magnetic force is trying to hold the pieces of the sheet together while the force of gravity is trying to pull them apart,” says Jie Yin, corresponding author of the paper and a professor of mechanical and aerospace engineering at NC State. “But this was just the beginning.”

The researchers found that the rows in each sheet snapped open in a random order. However, each sheet would repeat that same order every time. So, if Sheet A’s rows opened in order 1-2-3, its rows would always open 1-2-3. And if Sheet B’s rows opened in order 3-1-2, they would always open in order 3-1-2.

“We found that small, unavoidable defects were responsible for dictating the order in which each row snapped open,” says Sun. “And, because those defects don’t change, the order doesn’t change. That, in itself, was interesting.”

The researchers then experimented with placing multiple magnetized sheets next to each other, clamping them together at top and bottom.

They found that connecting two sheets back-to-back so that their magnetic fields repulsed each other resulted in the rows snapping open in an ordered fashion, from top to bottom, 90% of the time.

“So, there are two interesting observations here,” says Yin. “First, we can make the metamaterial snap open sequentially, rather than all at once, by magnetizing the sheet. Second, we can drastically reduce randomness in that behavior by aligning these metamaterials properly.”

The researchers also found that this phenomenon has utility in the context of energy absorption applications.

“We found that the magnetized elastic metamaterial could absorb 30% more kinetic energy than the unmagnetized metamaterial,” says Sun. “And we can control how much energy is absorbed by controlling how strong the internal magnetic attraction is. The stronger the magnetism, the more energy the metamaterial can absorb.”

The researchers demonstrated this by dropping a ball onto the metamaterial. The ball bounces off the unmagnetized metamaterial but simply comes to rest in the magnetized metamaterial.

 “We’re excited about future directions for this work,” says Yin. “The ordered snapping sequence can find potential applications in guiding wave propagation, reconfigurable robotics, and biomedical devices.”

The paper, “Magnetic coupling transforms random snapping into ordered sequences in soft metamaterials,” will be published open access March 20 in the journal Science Advances. The paper was co-authored by Yinding Chi, a Ph.D. graduate from NC State who is now a postdoctoral researcher at the University of Pennsylvania; Haitao Qing, a Ph.D. graduate of NC State who is now a postdoctoral researcher at the University of California, Berkeley; Gabriel Alkuino and Teng Zhang of Syracuse University; and Yevhen Zabila and Denys Makarov of the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf laboratory in Germany.

This work was done with support from the National Science Foundation under grants 2126072, 2329674, 1847149 and 2020476; from the European Union via the REGO project, under grant 101070066; and the European Research Council under grant 101141331.

Journal

Science Advances

DOI

10.1126/sciadv.aec3182

Method of Research

Experimental study

Subject of Research

Not applicable

Article Title

Magnetic coupling transforms random snapping into ordered sequences in soft metamaterials

Article Publication Date

20-Mar-2026

COI Statement

The authors declare no competing interests.

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