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Posté par Redbran le Samedi 20/02/2016 à 00:00
De nouveaux métamatériaux acoustiques 3D fonctionnant dans l'ultrason
La combinaison de matière molle et microfluidique a permis récemment de mettre au point les premiers métamatériaux acoustiques tridimensionnels fonctionnant dans le domaine des ultrasons. Constitués de petites particules sphériques d'un matériau poreux incluses dans une matrice aqueuse, ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) possèdent la propriété remarquable d'avoir un indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a...) négatif, faisant reculer l'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que...) ultrasonore sur une bande significative de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le...). Dans de nouveaux matériaux, les chercheurs du Laboratoire du futur (CNRS/Solvay/Université de Bordeaux), du Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) de mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un...) et d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une...) (CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP) ont mis en évidence une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps....) bande d'indice de réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci change entre deux milieux. Typiquement, cela se...) négatif sous des conditions très précises: les particules doivent être parfaitement calibrées, en concentration suffisante, et le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...) les constituant ne doit pas être trop mou. Ces résultats sont parus dans la revue Advanced Materials.

Comme les matériaux poreux sont à la fois denses (présence d'un squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur a fourni un avantage...) solide) et compressibles (grâce aux nombreuses cavités d'air), le son s'y propage de manière relativement lente (La Lente est une rivière de la Toscane.), parfois même plus lentement que dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...). Ces matériaux sont donc des candidats intéressants pour l'ingénierie des métamatériaux acoustiques, capables de jouer avec la propagation du son. Récemment, les chercheurs ont réalisé un nouveau type de métamatériau, en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les...), constitué de microbilles de silicone (Les silicones, ou polysiloxanes, sont des composés inorganiques formés d'une chaine silicium-oxygène (...-Si-O-Si-O-Si-O-...) sur laquelle des groupes se fixent, sur les atomes de silicium. Certains groupes...) poreux en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. ...) dans un gel à base d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), fonctionnant à des fréquences ultrasonores. Ce matériau présente un indice de réfraction négatif, propriété rarement rencontrée: l'oscillation ultrasonore recule alors que l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) transportée par l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) avance.

Ces mêmes chercheurs viennent également de synthétiser un nouveau matériau poreux en utilisant un dispositif microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de l'ordre du...) qui permet de calibrer de manière ultra-précise les particules formées.


Fig 1. Ecoulement microfluidique en capillaire pour la synthèse de particules de silice poreuse (diamètre du capillaire 700 µm).
© Jacques Leng

Ils ont ainsi obtenu des particules sphériques de silice poreuse d'environ 700 µm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.) à partir d'un gel éthanolique à base de nanoparticules de silice. Elles contiennent environ 80% d'air: ce sont des xérogels sphériques et isométriques de silice nanoporeuse.


Fig. 2. Particules poreuses à base de silice. a) particules encore humides en sortie du réacteur microfluidique de synthèse (encart: histogrammes de taille avant et après séchage). b et c) particules séchées. d1) vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) au microscope électronique à balayage d'une particule. e) vue au microscope à balayage haute résolution de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) d'une particule (encart: vue au microscope à transmission des nanoparticules de silice, après découpe ultra-fine).
© Jacques Leng

Ces gels possèdent des propriétés acoustiques remarquables dites "double-bande": ils présentent non pas une (comme pour le matériau précédent) mais deux bandes de fréquence où l'indice de réfraction est négatif.

Ce travail a également permis d'identifier les paramètres cruciaux qui gèrent l'existence et la position en fréquence de telles bandes d'indice négatif: il existe un seuil en concentration de particules à dépasser pour obtenir ces bandes ; les particules ne doivent pas être trop molles (module de cisaillement pas trop faible) pour pouvoir supporter la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement deux catégories de propagation :) de cisaillement en leur sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du...) ; enfin, l'isométrie (En géométrie, une isométrie est une transformation qui conserve les longueurs. Une isométrie est donc un cas particulier de similitude.) des particules est cruciale car une polydispersité supérieure à 5% tue la seconde bande.

Cette approche est totalement originale puisqu'elle combine pour la première fois matière molle (La matière molle rassemble des états de la matière ou des matériaux connaissant une réponse forte pour un très faible signal de commande. Par exemple, les...) et microfluidique pour fabriquer le métafluide brut en large quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.). Ce matériau pourrait ensuite être utilisé comme revêtement acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique vibratoire.) pour modifier les propriétés d'une structure en transmission (isolation) ou en réflexion (anéchoïsme).

Pour plus d'information voir:
Simon Raffy, Benoit Mascaro, Thomas Brunet, Olivier Mondain-Monval & Jacques Leng
A Soft 3D acoustic metafluid with dual-band negative refractive index
Adv. Mater. 15 décembre 2015
DOI: 10.1002/adma.201503524

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Source: CNRS-INC