Un nouveau métamatériau guide les vibrations sur des chemins prédéfinis

Les métamatériaux – le terme peut sembler ésotérique pour le profane. Cependant, dans les sciences et l’ingénierie, c’est un domaine de recherche intéressant qui a connu un développement très dynamique, en particulier depuis les années 1990.

À l’œil nu, un métamatériau ressemble à un matériau ordinaire. Cependant, à plus petite échelle, il présente une structure inhabituelle, soigneusement conçue, qui lui confère des propriétés mécaniques ou physiques spéciales que le matériau de base d’origine ne possède pas.

Ces matériaux artificiellement conçus sont, par exemple, très légers, rigides, hautement déformables, ou ils atténuent les chocs et les vibrations. Les applications vont des semelles de chaussures aux casques, jusqu’à la microélectronique.

Des propriétés spéciales grâce à une microstructure spéciale

Dennis Kochmann, professeur de mécanique et de recherche sur les matériaux à l’ETH Zurich, a beaucoup travaillé sur les métamatériaux dans le cadre de ses recherches. « C’est fascinant de voir comment, grâce à une microstructure spéciale, on peut conférer à un matériau des propriétés spéciales qu’il ne possède pas sans cette structure », explique-t-il.

Kochmann et ses collaborateurs ont récemment présenté un nouveau métamatériau dit phononique dans deux publications scientifiques – un matériau capable de contrôler précisément les ondes mécaniques, telles que les vibrations ou les signaux acoustiques.

Un tel métamatériau pourrait, par exemple, être déployé pour récupérer l’énergie des vibrations ou pour traiter des signaux de manière purement mécanique, ce qui présente un intérêt pour les capteurs et les ordinateurs mécaniques fonctionnant sans électricité.

Une membrane de silicium ultra-mince comme guide d’ondes

Si une plaque métallique est excitée pour vibrer – par exemple, en la frappant avec un marteau – ces vibrations se propagent généralement de manière circulaire, comme les vagues à la surface de l’eau. Si cette plaque possède une structure soigneusement conçue, elle peut rediriger les ondes le long de chemins spécifiques – et c’est précisément cet effet que les chercheurs de l’ETH ont exploité.

Au lieu d’une plaque métallique, ils ont utilisé une membrane de silicium extrêmement mince dans laquelle les chercheurs ont gravé d’innombrables trous par photolithographie et techniques de gravure, formant ainsi un motif spécifique.

Un motif comprenant des millions d’éléments

Le motif consiste en millions d’éléments carrés répétés – de minuscules carrés, chacun divisé en diagonale en quatre carrés. Au centre du carré principal se trouve une étoile à quatre branches.

Contrairement à de nombreux autres métamatériaux, ces cellules unitaires ne sont pas identiques sur l’ensemble du motif, mais changent progressivement, car les longueurs des branches de l’étoile varient.

Les chercheurs de l’ETH ont utilisé des modèles informatiques sur mesure pour générer ces motifs et ont simulé la manière dont une onde frappant le motif se propage en rayons.

« Si l’on devait simuler l’ensemble du champ d’ondes de manière conventionnelle, ce serait extrêmement coûteux en calcul, car l’espace de conception est immense avec des millions et des millions de degrés de liberté », explique Charles Dorn, ancien membre de l’équipe de Kochmann, aujourd’hui professeur assistant à l’Université de Washington, qui était responsable des simulations.

Jouer au puzzle avec les métamatériaux

« La conception de notre métamatériau est modulaire, comme un puzzle », explique Kochmann. Ainsi, différentes pièces du puzzle remplissent des fonctions spécifiques, comme dévier les rayons à angle droit ou diviser les ondes dans différentes directions en fonction de leur fréquence. En assemblant habilement les pièces appropriées, les chercheurs peuvent générer des chemins d’ondes complexes, comme un chemin en forme de huit.

Fabriqué en salle blanche sur des substrats de silicium

Dans une étape supplémentaire, les chercheurs ont fabriqué les structures conçues par ordinateur avec une haute précision dans la salle blanche du Centre de nanotechnologie Binnig et Rohrer de l’ETH Zurich et d’IBM. Pour ce faire, ils ont utilisé une tranche de silicium conventionnelle comme point de départ et, en plusieurs étapes, l’ont transformée en une membrane de silicium structurée exactement comme le motif simulé, avec des centaines de milliers de cellules unitaires – chacune ne mesurant que quelques micromètres et donc à peine visibles à l’œil nu.

Dans une dernière étape, les chercheurs ont testé les membranes métamatériaux qu’ils avaient produites lors d’une expérience. À l’aide d’impulsions laser, ils ont fait vibrer la membrane de silicium. En déployant une technique de mesure optique, ils ont suivi la propagation des vibrations en temps réel.

Cela a permis à Kochmann et à ses collègues de confirmer que les ondes suivaient bien les chemins spécifiés – et dans certains cas sur de longues périodes.

Les structures fonctionnent non seulement à une seule fréquence de vibration : bien que les chercheurs aient conçu le système pour 750 kilohertz (750 000 vibrations par seconde), il fonctionne efficacement sur des fréquences allant d’environ 250 à 800 kilohertz. « Nous n’avions pas prévu cette large gamme de fréquences, cela a donc été une agréable surprise », commente Vignesh Kannan, co-auteur de l’étude publiée dans la revue Nature Communications.

Comme le silicium, le matériau de base, possède des caractéristiques d’amortissement naturellement faibles, les ondes peuvent se propager longtemps. C’est un avantage majeur par rapport aux structures imprimées en 3D à base de polymères, dont l’amortissement supprime rapidement toutes les vibrations, explique Kannan, qui est maintenant professeur assistant à l’École Polytechnique à Paris.

Récupérer l’énergie des vibrations

La nouvelle membrane de silicium pourrait trouver une utilisation en micro et nanoélectronique, par exemple pour mieux contrôler les vibrations sur les puces. Le métamatériau phononique présente également un intérêt pour le traitement mécanique du signal sans alimentation électrique, comme dans les capteurs de surveillance des infrastructures dans les zones reculées. À long terme, ils pourraient également être déployés pour de nouvelles architectures informatiques.

Kochmann, cependant, envisage également des récupérateurs d’énergie – des dispositifs qui dirigent spécifiquement l’énergie vibratoire vers des convertisseurs d’énergie piézoélectriques, qui génèrent de l’électricité utilisable à partir des vibrations.

Dans les prochaines étapes, lui et ses collaborateurs espèrent pousser la miniaturisation encore plus loin – jusqu’aux limites du réalisable, où les défauts de fabrication dans la micro ou même nanostructure commencent à avoir un impact significatif.

« Nous voulons également mieux comprendre la physique derrière les phénomènes en jeu. On ne sait pas encore exactement pourquoi la conception fonctionne si robustement sur une si large gamme de fréquences », déclare Kochmann.

Pour lui, la recherche fondamentale est la priorité absolue, car certains des phénomènes sous-jacents restent encore un mystère. Les applications découlent souvent naturellement, commente le chercheur. « C’est la beauté d’être ici à l’ETH : nous pouvons essayer des choses et explorer les fondamentaux sans pression commerciale. »

Références

Kannan V, Dorn C, Drechsler U, Kochmann DM: Microscale Architected Materials for Elastic Waveguiding: Fabrication and Dynamic Characterization across Length and Time Scales Phys. Rev. X 16, 011047 – Publié le 5 mars 2026, DOI: https://doi.org/10.1103/21w4-zn1s

Dorn C, Kannan V, Drechsler U, et al. Graded phononic metamaterials based on scalable microfabrication and design. Nat Commun 17, 3192 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69888

Article : Microscale Architected Materials for Elastic Waveguiding: Fabrication and Dynamic Characterization across Length and Time Scales Phys. – Journal : Physical Review X – DOI : Lien vers l’étude