Moduler les propriétés élastiques d'un matériau par des stimuli lumineux

La propagation d'une onde élastique dans un métamatériau, fabriqué par impression 3D, peut être modulée en l'éclairant de manière ciblée par un faisceau laser. Ce résultat, obtenu conjointement par l'IEMN, l'École polytechnique de Turin (Turin (Türìn en piémontais - Torino en italien) est une ville, chef-lieu de la province de même nom et capitale du Piémont en Italie.), l'Empa de Dübendorf et l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) norvégienne des sciences et technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Trondheim, ouvre une voie vers la réalisation de composants adaptables pour le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) des ondes élastiques. L'étude est publiée dans la revue Nature Communications.


Les métamatériaux sont des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) conçus avec une structuration géométrique particulière, afin d'obtenir des propriétés physiques nouvelles. Ainsi, un métamatériau peut altérer 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...) élastiques de manière à les atténuer sur une certaine gamme de fréquences: le solide fonctionne comme un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.). Mais cette propriété est figée: pour modifier la plage (La Plage est un film anglo-américain réalisé par Danny Boyle en 2000 et adapté du roman The Beach d'Alex Garland) de fréquences filtrées, il faudra créer un autre métamatériau. Ce manque d'adaptabilité limite les applications pratiques.

Des chercheurs de l'IEMN (Institut d'électronique de microélectronique et de nanotechnologie (Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes...), CNRS/Université polytechnique Hauts-de-France/Université de Lille/ Centrale Lille Institut) proposent une solution pour créer des métamériaux adaptables. En collaboration avec l'École polytechnique de Turin, l'Empa de Dübendorf et l'Université norvégienne des sciences et technologie de Trondheim, ils ont fabriqué et testé un métamatériau dans lequel la transmission des ondes élastiques est réglable à l'aide d'un faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...).

Les chercheurs ont fabriqué un guide d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.), en polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un système formé par un ensemble de macromolécules de même nature chimique. Les termes « polymère »...) chargé de molécules réactives à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte plus...), sous la forme d'une plaque de quelques centimètres surmontée d'une rangée de piliers carrés. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) est obtenu par un procédé d'impression 3D (photopolymérisation). Des ondes sont envoyées dans 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...) à l'aide d'un transducteur (Un transducteur est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre.) piézoélectrique. En illuminant sélectivement les piliers avec un laser bleu, les chercheurs ont montré qu'ils modifiaient les propriétés élastiques du métamatériau, avec pour conséquence l'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) ou le blocage de certaines plages de fréquences: le composant fonctionne alors comme un filtre, dont le fonctionnement peut être adapté en jouant sur la localisation et la durée de l'illumination par le laser. La transformation du matériau se produit en moins d'une minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte...), et est entièrement réversible.

Ces résultats sont une première étape vers la réalisation de métamatériaux adaptables pour des filtres, des guides d'ondes, des résonateurs, des interrupteurs, etc., pour les ondes élastiques.

Les chercheurs, qui ont mené cette étude dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) européen FET Open "Boheme", veulent maintenant étudier les propriétés de ce dispositif à plus petite échelle, ce qui devrait permettre d'atteindre des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de réaction de l'ordre de la 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. La...). Des essais à plus grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme...) sont aussi envisagés, dans la perspective d'applications en contrôle non destructif (Le Contrôle Non Destructif (C.N.D.) est un ensemble de méthodes qui permet de caractériser l'état d'intégrité de structures industrielles, sans les dégrader, soit au cours de la production (les pièces qui sortent des...) et pour l'isolation des bâtiments.

Références:
Tunable photo-responsive elastic metamaterials,
AS. Gliozzi, M. Miniaci, A. Chiappone, A. Bergamini, B. Morin, E. Descrovi.
Nature Communications 11 (1), 1-8 (2020)
https://doi.org/10.1038/s41467-020-16272-y