Les ingénieurs du MIT impriment des « métamatériaux » synthétiques à la fois solides et extensibles

Jennifer Chu | MIT

Une nouvelle méthode pourrait permettre d’obtenir des céramiques, du verre et des métaux extensibles, des textiles indéchirables ou des semi-conducteurs extensibles.

Dans la conception des métamatériaux, la règle du jeu a longtemps été « plus c’est fort, mieux c’est ».

Les métamatériaux sont des matériaux synthétiques dotés de structures microscopiques qui confèrent à l’ensemble du matériau des propriétés exceptionnelles. L’accent a été mis sur la conception de métamatériaux plus résistants et plus rigides que leurs homologues conventionnels. Mais il y a une contrepartie : plus un matériau est rigide, moins il est flexible.

Les ingénieurs du MIT ont maintenant trouvé un moyen de fabriquer un métamatériau à la fois solide et extensible. Le matériau de base est généralement très rigide et cassant, mais il est imprimé selon des motifs précis et complexes qui forment une structure à la fois solide et flexible.

La clé de la double propriété du nouveau matériau réside dans la combinaison d’entretoises microscopiques rigides et d’une architecture tissée plus souple. Ce « double réseau » microscopique, imprimé à l’aide d’un polymère semblable au plexiglas, a produit un matériau capable de s’étirer plus de quatre fois sa taille sans se rompre complètement. En comparaison, le polymère sous d’autres formes ne s’étire que très peu, voire pas du tout, et se brise facilement une fois fissuré.

Les chercheurs affirment que la nouvelle conception à double réseau peut être appliquée à d’autres matériaux, par exemple pour fabriquer des céramiques, du verre et des métaux extensibles. Ces matériaux à la fois résistants et flexibles pourraient être transformés en textiles indéchirables, en semi-conducteurs flexibles, en emballages de puces électroniques et en échafaudages durables mais souples sur lesquels on pourrait cultiver des cellules pour la réparation des tissus.

« Nous ouvrons un nouveau territoire pour les métamatériaux », déclare Carlos Portela, professeur associé au développement de carrière Robert N. Noyce au MIT. « Vous pourriez imprimer un métal ou une céramique à double réseau et vous obtiendriez beaucoup de ces avantages, en ce sens qu’il faudrait plus d’énergie pour les briser et qu’ils seraient beaucoup plus extensibles. »

Portela et ses collègues publient aujourd’hui leurs résultats dans la revue Nature Materials. Les coauteurs du MIT sont James Utama Surjadi, premier auteur, Bastien Aymon et Molly Carton.

Un gel inspiré

Comme d’autres groupes de recherche, Portela et ses collègues ont généralement conçu des métamatériaux en imprimant ou en nanofabriquant des réseaux microscopiques à l’aide de polymères conventionnels tels que le plexiglas et la céramique. Le motif spécifique, ou architecture, qu’ils impriment peut conférer une solidité et une résistance aux chocs exceptionnelles au métamatériau obtenu.

Il y a plusieurs années, M. Portela s’est demandé s’il était possible de fabriquer un métamatériau à partir d’un matériau intrinsèquement rigide, mais de l’imprimer de manière à le transformer en une version beaucoup plus souple et extensible.

« Nous nous sommes rendu compte que le domaine des métamatériaux n’avait pas vraiment essayé d’avoir un impact dans le domaine de la matière molle », explique-t-il. « Jusqu’à présent, nous avons tous cherché les matériaux les plus rigides et les plus résistants possibles. »

Au lieu de cela, il a cherché un moyen de synthétiser des métamatériaux plus souples et plus extensibles. Plutôt que d’imprimer de microscopiques entretoises et poutrelles, semblables à celles des métamatériaux conventionnels à base de treillis, son équipe et lui ont créé une architecture de ressorts ou de bobines entrelacées. Ils ont constaté que, si le matériau utilisé était rigide comme le plexiglas, le métamatériau tissé qui en résultait était souple et élastique, comme du caoutchouc.

« Ils étaient extensibles, mais trop mous et trop souples », se souvient M. Portela.

En cherchant des moyens de renforcer leur métamatériau plus souple, l’équipe s’est inspirée d’un matériau totalement différent : l’hydrogel. Les hydrogels sont des matériaux souples, extensibles et semblables à de la gelée, composés essentiellement d’eau et d’un peu de structure polymère. Des chercheurs, y compris des groupes du MIT, ont conçu des moyens de fabriquer des hydrogels qui sont à la fois souples et extensibles, mais aussi résistants. Pour ce faire, ils combinent des réseaux de polymères aux propriétés très différentes, comme un réseau de molécules naturellement rigides, qui est chimiquement réticulé avec un autre réseau moléculaire intrinsèquement souple. Portela et ses collègues se sont demandé si une telle conception à double réseau pouvait être adaptée aux métamatériaux.

« C’est là que nous avons eu le déclic », affirme M. Portela. Nous nous sommes dit : « Pouvons-nous nous inspirer de ces hydrogènes ? Pouvons-nous nous inspirer de ces hydrogels pour créer un métamatériau doté de propriétés rigides et extensibles similaires ? »

La force et la trame

Pour cette nouvelle étude, l’équipe a fabriqué un métamatériau en combinant deux architectures microscopiques. La première est un échafaudage rigide, en forme de grille, composé d’entretoises et de poutrelles. La seconde est un modèle de bobines qui s’enroulent autour de chaque entretoise et de chaque poutrelle. Les deux réseaux sont fabriqués à partir du même plastique acrylique et sont imprimés en une seule fois, à l’aide d’une technique d’impression laser de haute précision appelée lithographie à deux photons.

Les chercheurs ont imprimé des échantillons du nouveau métamatériau inspiré du double réseau, chacun mesurant de quelques microns carrés à quelques millimètres carrés. Ils ont soumis le matériau à une série de tests de résistance, au cours desquels ils ont fixé chaque extrémité de l’échantillon à une presse nanomécanique spécialisée et ont mesuré la force nécessaire pour séparer le matériau. Ils ont également enregistré des vidéos à haute résolution pour observer les endroits et les façons dont le matériau s’étirait et se déchirait lorsqu’il était écarté.

Ils ont constaté que leur nouveau double réseau était capable de s’étirer sur trois fois sa propre longueur, soit dix fois plus loin qu’un métamatériau conventionnel à motifs en treillis imprimé avec le même plastique acrylique. Selon M. Portela, la résistance à l’étirement du nouveau matériau provient des interactions entre les montants rigides du matériau et le tissage plus désordonné et enroulé lorsque le matériau est soumis à des contraintes et à des tractions.

« Imaginez ce réseau tissé comme un désordre de spaghettis enchevêtrés autour d’un treillis. Lorsque nous cassons le réseau monolithique, les parties cassées viennent s’y ajouter et tous ces spaghettis s’enchevêtrent avec les pièces du réseau », précise M. Portela. « Cela favorise l’enchevêtrement entre les fibres tissées, ce qui signifie plus de friction et plus de dissipation d’énergie.

En d’autres termes, la structure plus souple qui s’enroule autour du treillis rigide du matériau subit davantage de contraintes en raison des multiples nœuds ou enchevêtrements favorisés par les entretoises fissurées. Comme cette contrainte se propage de manière inégale dans le matériau, il est peu probable qu’une fissure initiale se propage directement et déchire rapidement le matériau. De plus, l’équipe a découvert qu’en introduisant des trous stratégiques, ou « défauts », dans le métamatériau, elle pouvait dissiper davantage toute contrainte subie par le matériau, ce qui le rendait encore plus extensible et plus résistant à la déchirure.

« On pourrait penser que cela aggrave le matériau », explique Surjadi, coauteur de l’étude. « Mais nous avons constaté qu’une fois que nous avons commencé à ajouter des défauts, nous avons doublé la quantité d’étirement que nous pouvions faire et triplé la quantité d’énergie que nous dissipions. Nous obtenons ainsi un matériau à la fois rigide et résistant, ce qui est généralement une contradiction ».

L’équipe a mis au point un cadre informatique qui peut aider les ingénieurs à estimer les performances d’un métamatériau en fonction de la configuration de ses réseaux rigides et extensibles. Ils estiment qu’un tel schéma directeur sera utile pour concevoir des textiles et des tissus résistants à la déchirure.

« Nous voulons également essayer cette approche sur des matériaux plus fragiles, afin de leur donner une multifonctionnalité », conclut M. Portela. « Jusqu’à présent, nous avons parlé de propriétés mécaniques, mais que se passerait-il si nous pouvions également les rendre conducteurs ou sensibles à la température ? Pour cela, les deux réseaux pourraient être constitués de polymères différents, qui réagiraient différemment à la température, de sorte qu’un tissu puisse ouvrir ses pores ou devenir plus souple lorsqu’il est chaud et être plus rigide lorsqu’il est froid. C’est quelque chose que nous pouvons explorer maintenant ».

Légende illustration : Les métamatériaux sont des matériaux synthétiques dotés de structures microscopiques qui confèrent à l’ensemble du matériau des propriétés exceptionnelles.

Article : « Double-network-inspired mechanical metamaterials » – DOI : 10.1038/s41563-025-02219-5