Des défauts plus petits qu'un globule rouge détectés dans les métamatériaux

Les métamatériaux, produits de l’ingéniosité de l’ingénierie, sont fabriqués à partir de polymères, de céramiques et de métaux courants. Lorsqu’ils sont construits avec précision à l’échelle microscopique, dans des architectures complexes, ces matériaux ordinaires peuvent acquérir des propriétés extraordinaires.

Pour savoir avec certitude si un métamatériau répondra aux attentes, il est indispensable de les tester physiquement. Une nouvelle technique basée sur le laser offre une solution sûre et rapide qui pourrait accélérer la découverte de métamatériaux prometteurs pour des applications réelles.

Cette micrographie optique montre un réseau d’échantillons microscopiques de métamatériaux sur un substrat réfléchissant. Des impulsions laser ont été ajoutées numériquement, représentant les impulsions de pompe (rouge) et de sonde (vert) diagnostiquant un échantillon au centre. La technique LIRAS balaie tous les échantillons sur le substrat en quelques minutes. MIT

La magie des métamatériaux

Les métamatériaux sont des produits de l’ingénierie qui sont fabriqués à partir de polymères, de céramiques et de métaux de tous les jours. Lorsqu’ils sont construits avec précision à l’échelle microscopique, dans des architectures complexes, ces matériaux ordinaires peuvent acquérir des propriétés extraordinaires.

Avec l’aide de simulations informatiques, les ingénieurs peuvent jouer avec n’importe quelle combinaison de microstructures pour voir comment certains matériaux peuvent se transformer, par exemple, en lentilles acoustiques focalisant le son ou en films légers et résistants aux balles.

« *Nous savons à quel point il est important de fabriquer des matériaux capables d’atténuer les chocs et les impacts* », explique Yun Kai l’un des auteurs de l’étude et chercheur au MIT. « *… , nous pouvons pour la première fois caractériser le comportement dynamique des métamatériaux et les explorer à l’extrême*. »

Le défi des tests physiques

Mais les simulations ne peuvent mener une conception que jusqu’à un certain point. Pour savoir avec certitude si un métamatériau répondra aux attentes, il est indispensable de les tester physiquement. Il n’y avait pas jusqu’à présent de moyen fiable de pointer et de tirer sur les métamatériaux à l’échelle microscopique, et de savoir comment ils réagiront, sans entrer en contact et endommager physiquement les structures dans le processus.

Une nouvelle technique basée sur le laser

Une nouvelle technique basée sur le laser offre désormais une solution sûre et rapide qui pourrait accélérer la découverte de métamatériaux prometteurs pour des applications réelles. La technique, développée par des ingénieurs du MIT, sonde les métamatériaux avec un système de deux lasers – l’un pour zapper rapidement une structure et l’autre pour mesurer les façons dont elle vibre en réponse, un peu comme frapper une cloche avec un maillet et enregistrer sa réverbération.

Cette image montre des micrographies au microscope électronique d’échantillons de métamatériaux polymères, d’une largeur d’environ 50 micromètres et d’une hauteur équivalente à deux fois la largeur d’un cheveu humain, dont les propriétés ont été déterminées par la technique LIRAS. Les lasers de pompe et de sonde ont été dirigés vers les sommets plats pour induire des vibrations dans les échantillons. MIT

Contrairement à un maillet, les lasers ne font aucun contact physique. Pourtant, ils peuvent produire des vibrations dans toute la structure de métamatériaux, comme si la structure était physiquement frappée, étirée ou cisaillée.

En synthèse

Les ingénieurs peuvent ensuite utiliser les vibrations résultantes pour calculer diverses propriétés dynamiques du matériau, comme sa réaction aux impacts et sa capacité à absorber ou à diffuser le son. Avec une impulsion laser ultra-rapide, ils peuvent exciter et mesurer des centaines de structures miniatures en quelques minutes.

La nouvelle technique offre un moyen sûr, fiable et à haut débit de caractériser dynamiquement les métamatériaux à l’échelle microscopique, pour la première fois. « Nous devons trouver des moyens plus rapides de tester, d’optimiser et de modifier ces matériaux », déclare Carlos Portela, professeur de développement de carrière Brit et Alex d’Arbeloff en génie mécanique au MIT. « Avec cette approche, nous pouvons accélérer la découverte de matériaux optimaux, en fonction des propriétés que vous souhaitez ».

Une nouvelle technique du MIT utilise un laser pour balayer en toute sécurité une tour microscopique de métamatériaux, induisant des vibrations qui peuvent ensuite être captées par un second laser et analysées pour en déduire les propriétés dynamiques de la structure, telles que la rigidité en réponse à un impact.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que les métamatériaux ?

Les métamatériaux sont des produits de l’ingénierie qui sont fabriqués à partir de polymères, de céramiques et de métaux de tous les jours. Lorsqu’ils sont construits avec précision à l’échelle microscopique, dans des architectures complexes, ces matériaux ordinaires peuvent acquérir des propriétés extraordinaires.

Comment les métamatériaux sont-ils testés ?

Les simulations informatiques peuvent aider à concevoir des métamatériaux, mais pour savoir avec certitude si un métamatériau répondra aux attentes, il est indispensable de les tester physiquement. Cependant, il n’y avait pas de moyen fiable de pousser et de tirer sur les métamatériaux à l’échelle microscopique, sans entrer en contact et endommager physiquement les structures dans le processus.

Quelle est la nouvelle technique basée sur le laser ?

Une nouvelle technique basée sur le laser offre une solution sûre et rapide pour tester les métamatériaux. La technique, développée par des ingénieurs du MIT, sonde les métamatériaux avec un système de deux lasers – l’un pour zapper rapidement une structure et l’autre pour mesurer les façons dont elle vibre en réponse.

Quels sont les avantages de cette nouvelle technique ?

La nouvelle technique offre un moyen sûr, fiable et à haut débit de caractériser dynamiquement les métamatériaux à l’échelle microscopique, pour la première fois. Les ingénieurs peuvent utiliser les vibrations résultantes pour calculer diverses propriétés dynamiques du matériau, comme sa réaction aux impacts et sa capacité à absorber ou à diffuser le son.

Quelles sont les applications potentielles des métamatériaux ?

Les métamatériaux ont un large éventail d’applications potentielles, allant des lentilles acoustiques qui focalisent le son aux films légers et résistants aux balles. Ils pourraient également être utilisés pour améliorer la sensibilité des sondes à ultrasons ou pour créer des matériaux résistants aux impacts, par exemple pour l’intérieur des casques de vélo.

Principaux enseignements

Enseignements
Les métamatériaux sont fabriqués à partir de matériaux ordinaires et peuvent acquérir des propriétés extraordinaires.
Les simulations informatiques sont utiles pour la conception des métamatériaux, mais les tests physiques sont indispensables.
Une nouvelle technique basée sur le laser a été développée pour tester les métamatériaux sans les endommager.
Cette technique utilise deux lasers pour exciter et mesurer les vibrations des métamatériaux.
Les vibrations peuvent être utilisées pour calculer diverses propriétés dynamiques des métamatériaux.
La technique peut tester des centaines de structures miniatures en quelques minutes.
Les métamatériaux ont un large éventail d’applications potentielles, y compris dans le domaine de l’acoustique et de la protection contre les impacts.
La technique peut également être utilisée pour détecter les défauts dans les métamatériaux.
La technique est sûre, fiable et à haut débit.
Cette technique pourrait accélérer la découverte de métamatériaux prometteurs pour des applications réelles.

Références

Portela, Carlos, et al. «Laser-induced resonant acoustic spectroscopy for the dynamic characterization of metamaterials.» Nature, 2023. Lien vers l’article

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