Métamatériaux : Des tiges très torsadées stockent de grandes quantités d’énergie

Christian Könemann | Dr. Sabine Fodi

Une équipe de recherche internationale coordonnée a mis au point des métamatériaux mécaniques dotés d’une densité d’énergie élastique élevée. Des tiges très torsadées qui se déforment de manière hélicoïdale confèrent à ces métamatériaux une grande rigidité et leur permettent d’absorber et de libérer de grandes quantités d’énergie élastique. Les chercheurs ont mené des expériences de compression simples pour confirmer les premiers résultats théoriques.

Qu’il s’agisse de ressorts pour absorber l’énergie, de tampons pour le stockage de l’énergie mécanique ou de structures flexibles pour la robotique ou les machines à haut rendement énergétique, le stockage de l’énergie mécanique est nécessaire dans de nombreux domaines : Le stockage de l’énergie mécanique est nécessaire pour de nombreuses technologies. L’énergie cinétique, c’est-à-dire l’énergie de mouvement ou le travail mécanique correspondant, est convertie en énergie élastique de manière à pouvoir être entièrement libérée en cas de besoin.

La caractéristique clé est l’enthalpie, c’est-à-dire la densité d’énergie qui peut être stockée et récupérée à partir d’un élément de la matière. Peter Gumbsch, professeur de mécanique des matériaux à l’Institut des matériaux appliqués (IAM) du KIT, explique qu’il est difficile d’obtenir l’enthalpie la plus élevée possible : « La difficulté consiste à combiner des propriétés contradictoires : grande rigidité, grande résistance et grande déformation récupérable ».

Arrangement astucieux de tiges déformées de manière hélicoïdale dans les métamatériaux

Les métamatériaux sont des matériaux conçus artificiellement qui n’existent pas dans la nature. Ils sont assemblés à partir d’unités définies individuellement afin d’améliorer leurs propriétés matérielles effectives. Peter Gumbsch, qui dirige également l’Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux IWM à Fribourg, et son équipe de recherche internationale, composée de membres de Chine et des États-Unis, ont maintenant réussi à développer des métamatériaux mécaniques avec une densité d’énergie élastique récupérable élevée.

« Dans un premier temps, nous avons détecté un mécanisme permettant de stocker une grande quantité d’énergie dans une simple tige ronde sans la casser ou la déformer de manière permanente », ajoute M. Gumbsch. « En définissant une disposition intelligente des tiges, nous avons ensuite intégré ce mécanisme dans un métamatériau ».

Les scientifiques comparent ce mécanisme à un ressort de flexion classique, dont la déformation maximale est limitée par de fortes contraintes de traction et de compression qui se produisent sur ses surfaces supérieure et inférieure et conduisent à une rupture ou à une déformation plastique permanente. Dans un tel ressort, les contraintes exercées sur l’ensemble du volume intérieur sont très faibles. Toutefois, si une tige est tordue, sa surface entière est également exposée à des contraintes élevées, mais le volume intérieur soumis à des contraintes faibles est considérablement plus petit. Pour tirer parti de ce mécanisme, la torsion doit être si élevée qu’elle entraîne une déformation complexe de flambage hélicoïdal.

L’enthalpie est 2 à 160 fois plus élevée que dans d’autres métamatériaux

Les chercheurs ont réussi à intégrer de telles tiges chargées en torsion et déformées de manière hélicoïdale dans un métamatériau qui peut être utilisé macroscopiquement sous des charges uniaxiales. Les simulations les ont aidés à prédire que le métamatériau aurait une rigidité élevée et pourrait donc absorber des forces importantes. En outre, son enthalpie est de 2 à 160 fois supérieure à celle d’autres métamatériaux. Pour le confirmer, ils ont mené des expériences de compression simples sur divers métamatériaux à structure chirale en miroir.

« Nos nouveaux métamatériaux, avec leur capacité de stockage d’énergie élastique élevée, pourraient être utilisés à l’avenir dans divers domaines nécessitant à la fois un stockage d’énergie efficace et des propriétés mécaniques exceptionnelles », précise M. Gumbsch.

Parmi les applications envisageables, outre le stockage d’énergie basé sur les ressorts, on peut citer l’absorption ou l’amortissement des chocs, ainsi que les structures flexibles en robotique ou dans les machines à haut rendement énergétique. Par ailleurs, les torsions qui se produisent à l’intérieur des métamatériaux pourraient être utilisées pour des articulations purement élastiques. (ou)

Légende illustration : Le modèle montre la déformation hélicoïdale du métamatériau. Grâce à ce mécanisme, il est possible de stocker une grande quantité d’énergie sans rupture. (Illustrations : IAM, KIT / Collage : Anja Sefrin, KIT)

Xin Fang, Dianlong Yu, Jihong Wen, Yifan Dai, Matthew R. Begley, Huajian Gao & Peter Gumbsch: « Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling ». Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-08658-z