Une nouvelle technique pourrait accélérer le développement de lentilles acoustiques, de films résistants aux chocs et d’autres matériaux futuristes

Les métamatériaux sont des produits de la magie de l’ingénierie. Ils sont fabriqués à partir de polymères, de céramiques et de métaux courants. Et lorsqu’ils sont construits précisément à l’échelle microscopique, dans des architectures complexes, ces matériaux ordinaires peuvent acquérir des propriétés extraordinaires.

À 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 pare-balles.

Mais les simulations ne peuvent pas aller plus loin dans une conception. Pour savoir avec certitude si un métamatériau répondra aux attentes, il est indispensable de le tester physiquement. Mais il n’existe aucun moyen fiable de pousser et de tirer des métamatériaux à l’échelle microscopique et de savoir comment ils réagiront, sans entrer en contact avec les structures ni les endommager physiquement au cours du processus.

Aujourd’hui, 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.

La technique, développée par les ingénieurs du MIT, sonde les métamatériaux avec un système de deux lasers : l’un pour zapper rapidement une structure et l’autre pour mesurer la manière dont elle vibre en réponse, un peu comme si on frappait une cloche avec un maillet et en enregistrant sa réverbération. Contrairement à un maillet, les lasers n’établissent aucun contact physique. Pourtant, ils peuvent produire des vibrations à travers les minuscules poutres et entretoises d’un métamatériau, comme si la structure était physiquement frappée, étirée ou cisaillée.

Les ingénieurs peuvent ensuite utiliser les vibrations résultantes pour calculer diverses propriétés dynamiques du matériau, telles que la façon dont il réagirait aux impacts et comment il absorberait ou disperserait le son. Grâce à une impulsion laser ultrarapide, ils peuvent exciter et mesurer des centaines de structures miniatures en quelques minutes. La nouvelle technique offre pour la première fois un moyen sûr, fiable et à haut débit de caractériser dynamiquement les métamatériaux à l’échelle microscopique.

“Nous devons trouver des moyens plus rapides de tester, d’optimiser et de peaufiner ces matériaux”, déclare Carlos Portela, professeur de développement de carrière britannique et Alex d’Arbeloff en génie mécanique au MIT. “Grâce à cette approche, nous pouvons accélérer la découverte de matériaux optimaux, en fonction des propriétés souhaitées.”

Portela et ses collègues détaillent leur nouveau système, qu’ils ont baptisé LIRAS (pour spectroscopie acoustique résonante induite par laser) dans un article qui paraîtra dans Nature. Ses co-auteurs du MIT incluent le premier auteur Yun Kai, Somayajulu Dhulipala, Rachel Sun, Jet Lem et Thomas Pezeril, ainsi que Washington DeLima du campus de sécurité nationale de Kansas City du ministère de l’Énergie.

Un conseil lent

Les métamatériaux avec lesquels Portela travaille sont fabriqués à partir de polymères courants qu’il imprime en 3D dans de minuscules tours ressemblant à des échafaudages constituées d’entretoises et de poutres microscopiques. Chaque tour est modelée en répétant et en superposant une seule unité géométrique, telle qu’une configuration à huit pointes de poutres de connexion. Lorsqu’il est empilé bout à bout, l’agencement en tour peut conférer à l’ensemble du polymère des propriétés qu’il n’aurait pas autrement.

Mais les ingénieurs sont très limités dans leurs options pour tester physiquement et valider ces propriétés de métamatériaux. La nanoindentation est la manière typique par laquelle de telles microstructures sont sondées, bien que de manière très délibérée et contrôlée. La méthode utilise une pointe à l’échelle micrométrique pour appuyer lentement sur une structure tout en mesurant le petit déplacement et les forces exercées sur la structure lors de sa compression.

“Mais cette technique ne peut aller que très vite, tout en endommageant la structure”, note Portela. “Nous voulions trouver un moyen de mesurer le comportement dynamique de ces structures, par exemple lors de la réponse initiale à un fort impact, mais d’une manière qui ne les détruirait pas.”

Un monde (méta)matériel

L’équipe s’est tournée vers les ultrasons laser, une méthode non destructive qui utilise une courte impulsion laser adaptée aux fréquences ultrasonores pour exciter des matériaux très fins tels que des films d’or sans les toucher physiquement. Les ondes ultrasonores créées par l’excitation laser se situent dans une plage qui peut faire vibrer un film mince à une fréquence que les scientifiques peuvent ensuite utiliser pour déterminer l’épaisseur exacte du film avec une précision nanométrique. La technique peut également être utilisée pour déterminer si un film mince contient des défauts.

Portela et ses collègues ont réalisé que les lasers à ultrasons pouvaient également faire vibrer leurs tours de métamatériaux 3D en toute sécurité ; la hauteur des tours – allant de 50 à 200 micromètres, soit jusqu’à environ deux fois le diamètre d’un cheveu humain – est à une échelle microscopique similaire à celle des films minces.

Pour tester cette idée, Yun Kai, qui a rejoint le groupe de Portela avec une expertise en optique laser, a construit une configuration de table comprenant deux lasers à ultrasons : un laser « à impulsion » pour exciter les échantillons de métamatériaux et un laser « à sonde » pour mesurer les vibrations résultantes.

Sur une seule puce pas plus grosse qu’un ongle, l’équipe a ensuite imprimé des centaines de tours microscopiques, chacune ayant une hauteur et une architecture spécifiques. Ils ont placé cette ville miniature de métamatériaux dans la configuration à deux lasers, puis ont excité les tours avec des impulsions ultracourtes répétées. Le deuxième laser mesurait les vibrations de chaque tour individuelle. L’équipe a ensuite rassemblé les données et recherché des modèles dans les vibrations.

“Nous excitons toutes ces structures avec un laser, ce qui revient à les frapper avec un marteau. Et puis nous capturons tous les mouvements de centaines de tours, et elles vacillent toutes de manière légèrement différente”, explique Portela. “Ensuite, nous pouvons analyser ces vibrations et extraire les propriétés dynamiques de chaque structure, telles que leur rigidité en réponse à l’impact et la vitesse à laquelle les ultrasons les traversent.”

L’équipe a utilisé la même technique pour scanner les tours à la recherche de défauts. Ils ont imprimé plusieurs tours sans défauts, puis imprimé les mêmes architectures, mais avec des degrés variables de défauts, tels que des entretoises et des poutres manquantes, chacune étant plus petite que la taille d’un globule rouge.

“Comme chaque tour a une signature vibratoire, nous avons constaté que plus nous mettons de défauts dans cette même structure, plus cette signature changeait”, explique Portela. “Vous pourriez imaginer scanner une chaîne d’assemblage de structures. Si vous en détectez une avec une signature légèrement différente, vous savez qu’elle n’est pas parfaite.”

Il affirme que les scientifiques peuvent facilement recréer la configuration laser dans leurs propres laboratoires. Ensuite, Portela prédit que la découverte de métamatériaux pratiques et réels décollera. De son côté, Portela souhaite fabriquer et tester des métamatériaux qui focalisent les ondes ultrasonores, par exemple pour augmenter la sensibilité des sondes ultrasonores. Il explore également les métamatériaux résistants aux chocs, par exemple pour recouvrir l’intérieur des casques de vélo.

“Nous savons à quel point il est important de fabriquer des matériaux permettant d’atténuer les chocs et les impacts”, a déclaré Kai. “Maintenant, grâce à notre étude, nous pouvons pour la première fois caractériser le comportement dynamique des métamatériaux et les explorer à l’extrême.”

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.