Le pouvoir de la structure interne

Le cube de céramique observé au microscope renferme des super-pouvoirs : une presse l'écrase par le haut de près d'un tiers de sa hauteur. Mais rien ne s'émiette, ne se casse ou ne se déchire. Puis elle se rel?che, et le cube reprend sa forme initiale, presque comme une éponge. La presse répète le jeu, le cube reste intact. Si le petit cube en céramique de 0,1 millimètre est aussi élastique, c'est gr?ce à sa structure interne : il est parcouru de sillons et de cavités courbes. Ceux-ci sont con?us de manière à ce que les forces de traction ne puissent se concentrer dans aucune zone du cube lorsqu'il est écrasé. En effet, de telles concentrations de forces de traction dans des zones défectueuses, des bosses ou des angles vifs de la structure rendent le matériau fragile. Gr?ce à la structure spéciale en creux, cela est évité et la céramique devient soudainement élastique.

Ce que le professeur Dennis Kochmann de l'ETH a développé avec ses collègues du California Institute of Technology de Pasadena, c'est un métamatériau. Ces matériaux de conception ont des propriétés qui n'existent pas dans la nature. Ces propriétés sont inscrites dans la structure microscopique. Les céramiques élastiques en sont un exemple relativement peu spectaculaire. Les métamatériaux sont connus pour leur capacité à contr?ler la propagation des ondes. Des chercheurs ont par exemple réussi à fabriquer un métamatériau à indice de réfraction négatif. Un tel matériau réfracte la lumière ou d'autres ondes dans la "direction opposée". Les applications sont des lentilles complètement plates et même, en théorie, des caches optiques et acoustiques. Les métamatériaux ont donc aussi le potentiel de rendre les choses invisibles. Le domaine des métamatériaux est encore relativement jeune et constitue une mine d'or scientifique. En théorie, les métamatériaux peuvent en effet être taillés sur mesure en fonction d'un nombre presque illimité de propriétés. Un terrain de jeu s'ouvre à celui qui ma?trise le jeu des formes géométriques, des éléments et des matériaux.

Mou et conducteur

Kochmann et son groupe font de la recherche fondamentale. Ils explorent le terrain de jeu et repoussent les limites de ce dont les matériaux sont capables. Il y a quelques années, ils ont montré que les matériaux mous - plus précisément les polymères - pouvaient également transporter des ondes. Cela a été rendu possible par une disposition intelligente du matériau mou. Les scientifiques ont utilisé pour cela des éléments dits bistables : chacun d'entre eux peut prendre deux positions, l'une tendue et l'autre détendue. Ils ont disposé ces éléments en série, comme des dominos, et les ont reliés entre eux. Si la structure est poussée à une extrémité, une onde se déplace jusqu'à l'autre extrémité - comme des dominos. Ils ont ainsi trouvé une solution simple pour la transmission de signaux dans les matériaux souples. Les chercheurs avaient trouvé une alternative souple aux c?bles traditionnels. Ceci est important pour le développement de robots souples.

Actuellement, l'équipe de Kochmann travaille à l'application du même principe non seulement dans une, mais aussi dans deux et trois dimensions. Il sera ainsi possible de créer des matériaux capables de changer de forme en deux ou trois dimensions en réponse à un stimulus donné, sans avoir besoin d'entra?nements ou de moteurs. En se basant uniquement sur la structure, les chercheurs pourraient programmer l'état initial et l'état final d'une forme transformable, ainsi que la vitesse et la séquence de la transformation.

Transformer en appuyant sur un bouton

Alors que ces matériaux sont stimulés mécaniquement - à la main en laboratoire - pour qu'ils se transforment, d'autres le sont déjà électroniquement, par simple pression sur un bouton. Kochmann a participé au développement d'un métamatériau revêtu de silicium qui peut être chargé électrochimiquement et dont la structure est ainsi modifiée. ? l'état initial, il ressemble à une grille tridimensionnelle, avec de fins brins horizontaux reliant des poteaux verticaux plus épais, comme dans un ring de boxe. Lorsque la structure est chargée électriquement, les brins horizontaux se gonflent et se courbent en un motif symétrique d'arcs opposés, semblables à des sinus. Les chercheurs exploitent ainsi un effet qui peut normalement causer des problèmes dans les batteries : Lors de la charge et de la décharge, les électrodes gonflent et rétrécissent. Dans le nouveau métamatériau, le gonflement des brins horizontaux entra?ne une modification fondamentale de la structure - qui reste ainsi jusqu'à ce que la structure soit à nouveau déchargée. Les chercheurs ont ainsi réussi à créer un métamatériau commutable. Comme il fonctionne comme une batterie rechargeable, il pourrait permettre à l'avenir de développer des accumulateurs d'énergie implantables de l'ordre du micromètre.

En outre, Kochmann a mis en évidence une autre propriété passionnante gr?ce à des simulations : Si le métamatériau est déformé (donc chargé), les ondes ne peuvent pas s'y propager dans certaines plages de fréquences. En appliquant plus ou moins de tension, il est possible de modifier ces plages de fréquences. De telles barrières d'ondes réglables pourraient également être intéressantes pour amortir les vibrations dans de très petits composants - comme on en trouve par exemple dans la microélectronique -, comme le dit Kochmann.

Recherche créative de la structure

Avec la bonne structure, il est donc possible de modifier les propriétés des matériaux de manière contr?lée. Reste à savoir comment trouver, parmi d'innombrables combinaisons de formes géométriques, de principes architecturaux et de matériaux de base, le design qui permet d'obtenir les propriétés souhaitées. On travaille à l'utilisation d'algorithmes et d'intelligence artificielle pour explorer systématiquement l'espace de conception. Mais de telles méthodes n'en sont encore qu'à leurs débuts, explique Kochmann. "Actuellement, il y a encore beaucoup de brainstorming derrière. Nous aimons nous réunir autour d'un tableau et combiner à partir du répertoire commun", c'est-à-dire à partir d'éléments de forme connus et de leurs propriétés.

Le domaine de spécialité de Kochmann en est la base : les simulations. En partant de la composition chimique et de la microstructure d'un matériau, il étudie leurs propriétés lorsqu'ils sont soumis à certaines influences. Par exemple, lorsqu'ils sont chauffés, soumis à un courant électrique ou comprimés comme dans le cas du cube en céramique. Il utilise les connaissances ainsi acquises sur les matériaux lorsqu'il développe de nouveaux métamatériaux.

Outil physique théorique

Kochmann re?oit également le soutien de collègues d'autres disciplines. Par exemple du physicien théorique Sebastian Huber. Ce dernier s'est notamment spécialisé dans le développement et la construction de structures et de systèmes qui se comportent comme le prédisent des concepts théoriques abstraits. Il a par exemple réussi à construire ce que l'on appelle un isolateur topologique : un système dans lequel les ondes ne peuvent se propager que sur la surface et dans une seule direction. Cet effet, que l'on ne connaissait auparavant qu'en physique quantique, a été démontré pour la première fois en 2015 par Huber à l'aide d'un modèle composé de 270 pendules disposés en carré. Ce que Huber a réussi à faire avec les pendules, il le fait aussi avec les métamatériaux : il développe et construit des structures qui présentent des effets que l'on ne peut observer autrement que dans des expériences co?teuses. Dans ses travaux de recherche, il s'agit toujours du contr?le ultime de la propagation des vibrations, explique Huber.

Avec ses métamatériaux, il traduit les concepts de la physique théorique dans le monde de la mécanique. Il fournit ainsi des outils aux chercheurs en matériaux comme Dennis Kochmann. Huber met ainsi à disposition de nouveaux modes de pensée et concepts de design pour les structures de matériaux. En même temps - et en tant que physicien, il s'en réjouit presque plus - il peut même affiner certains modèles physiques gr?ce aux mesures effectuées lors d'expériences avec ses métamatériaux. Les structures internes des métamatériaux sont donc la clé de beaucoup de choses : de la compréhension des relations en physique à la création de nouveaux matériaux aux propriétés encore inconnues.