Depuis plus de 10 ans, deux chercheurs en ingénierie à l’Université du Missouri, se sont immergés dans l’étude des propriétés inhabituelles des « métamatériaux » – un matériau artificiel qui présente des caractéristiques rarement observées dans la nature, comme définies par les lois du mouvement de Newton. Leur objectif est de concevoir un métamatériau idéal.
L’ambition est de parvenir à contrôler les ondes énergétiques « élastiques » se propageant à travers de grandes structures – telles qu’un avion – sans recourir à la lumière et à de petites « métastructures ».
Tout d’abord, définissons ce qu’est un métamatériau : c’est en premier lieu un matériau artificiel dont la structure est conçue de manière à lui conférer des propriétés non disponibles dans les matériaux naturels. Ensuite, ces propriétés proviennent de la structure physique du matériau, plutôt que de sa composition chimique. En d’autres termes, c’est la façon dont le matériau est structuré à petite échelle qui lui donne ses propriétés uniques, plutôt que les éléments chimiques qui le composent.
« Depuis de nombreuses années, je m’attaque au défi d’utiliser la mécanique mathématique pour résoudre des problèmes d’ingénierie », a déclaré Guoliang Huang. « Les méthodes conventionnelles ont de nombreuses limites, dont la taille et le poids. J’explore donc comment nous pourrions trouver une solution alternative en utilisant un matériau léger, de petite taille mais capable de contrôler les vibrations basse fréquence émanant d’une structure plus grande, comme un avion. »
Aujourd’hui, Huang se rapproche de son objectif. Dans une nouvelle étude publiée dans les Comptes Rendus de l’Académie Nationale des Sciences, Huang et ses collègues ont développé un prototype de métamatériau qui utilise des signaux électriques pour contrôler à la fois la direction et l’intensité des ondes énergétiques traversant un matériau solide.
Les applications potentielles de cette conception innovante englobent des utilisations militaires et commerciales, comme le contrôle des ondes radar en les orientant pour balayer une zone spécifique à la recherche d’objets, ou la gestion des vibrations créées par les turbulences aériennes d’un avion en vol.
« Ce métamatériau a une masse volumique étrange », a déclaré Huang. « Ainsi, la force et l’accélération ne vont pas dans la même direction, ce qui nous offre une façon non conventionnelle de personnaliser la conception de la dynamique structurelle d’un objet, ou des propriétés pour contester la deuxième loi de Newton. »
C’est la première réalisation physique d’une masse volumique étrange, a précisé Huang.
« Par exemple, ce métamatériau pourrait être bénéfique pour surveiller la santé de structures civiles telles que les ponts et les pipelines en tant que transducteurs actifs, en aidant à identifier les éventuels dommages qui pourraient être difficiles à déceler à l’œil nu. »
Références : Qian Wu et al, Active metamaterials for realizing odd mass density, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.2209829120
