Des ondes de transition pour contrôler l'architecture de métamatériaux reconfigurables
Publié par Adrien le 17/03/2020 à 09:00
Source: CNRS INSIS
En exerçant une sollicitation mécanique simple à une extrémité d'un matériau architecturé, composé d'un réseau de cellules bistables, une équipe internationale de chercheurs a montré que l'on pouvait engendrer, de manière contrôlée, des transitions globales entre de multiples configurations. Ces résultats, issus d'une collaboration entre des chercheurs du LAUM, du Caltech, de l'ETH Zurich et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) d'Harvard, sont publiés dans la revue PNAS.


Observations expérimentales d'ondes de transition se propageant à travers des structures 2D. Chaque onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) de transition est déclenchée par une compression exercée avec la pointe noire (sur le côté droit des images). Les ondes sont contrôlées par les conditions aux limites et par la présence de défauts (des cellules qui ne se transforment pas sous l'action de l'onde).
© LAUM

Les métamatériaux élastiques sont ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) spécifiquement conçus pour avoir des caractéristiques intéressantes et contrôlées allant au-delà de celles habituellement observées dans les solides classiques, par exemple pour amortir efficacement des vibrations ou pour l'isolation 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...). L'équipe internationale de chercheurs, du LAUM (CNRS/Le Mans Université), du Caltech, de l'ETH Zurich et de l'Université d'Harvard, a exploré une autre propriété de ces architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.): leur capacité à évoluer entre de multiples configurations stables à 2 ou 3 dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.), lorsqu'elles sont le siège d'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres...) de transition.

Pour étudier ce phénomène, les chercheurs ont commencé par découper, au laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) ou au jet d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), une plaque en polymère, afin de fabriquer un 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...) architecturé particulier: une structure complexe constituée d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) de cellules élémentaires déformables. Chaque cellule peut adopter deux états mécaniques stables, "ouvert" ou "fermé". Lorsque l'on exerce une excitation mécanique à une extrémité du réseau, par exemple en comprimant progressivement quelques cellules, on déclenche une onde de transition qui en se propageant fait basculer les cellules élémentaires d'un état à l'autre, créant ainsi une nouvelle configuration globale du matériau.


Échantillon auxétique bistable 2D à l'"état stable ouvert" (bleu) avant que l'onde de transition ne soit excitée par l'indenteur situé en bas. L'échantillon est constitué d'une plaque de polymère souple qui a été découpée au laser selon un motif spécifique. Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) expérimentales sont obtenues à l'aide d'une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) rapide et d'une corrélation d'images numériques.
© Ahmad Rafsanjani

Des expérimentations ont été réalisés sur des réseaux 2D de cellules bistables, ainsi que des simulations, basées sur un modèle inspiré des théories de transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...).) dans les solides cristallins. Cette double approche a permis d'analyser 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...) de transition dans le métamatériau, et de comprendre comment il est possible d'obtenir un effet prédéterminé de reconfiguration.

Les chercheurs ont aussi étudié l'effet de défauts ponctuels (par exemple une cellule modifiée, contrainte de rester dans un des deux états stables) volontairement introduits dans le réseau. Bien choisis, ces défauts permettent de réorienter l'onde de transition, de la ralentir, de l'accélérer, ou encore de la stopper, afin d'obtenir une configuration finale très différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide...) de sa forme initiale. Ce mouvement, contrôlé par la configuration précise de la structure, pourrait par exemple être utilisé dans un dispositif d'actionneur ou dans la conception d'un robot (Un robot est un dispositif mécatronique (alliant mécanique, électronique et informatique) accomplissant automatiquement soit des tâches qui sont généralement dangereuses, pénibles,...) souple.


Métamatériau constitué de cellules élémentaires bistables, dans leurs états d'équilibre ouvert ou fermé. Cellule élémentaire dans l'état fermé (en bleu) et ouvert (en jaune).
© LAUM

Les chercheurs du LAUM veulent continuer à étudier l'utilisation des ondes de transition pour des applications à la locomotion - faire avancer une structure sur un plan, par exemple. À plus long terme, le même type de dispositifs pourrait servir à déployer ou replier des structures telles que des tentes, des arches, des supports... Par ailleurs, ces structures macroscopiques, qui reproduisent les effets observés à petite échelle dans les matériaux cristallins lors de transitions de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :), ou entre des domaines dans des matériaux magnétiques, ou encore dans les fluides, pourraient s'avérer utiles comme plateforme expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches...) et théorique pour la 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...) sur les transitions de phase.

Référence

Guided transition waves in multistable mechanical metamaterials,
L. Jin, R. Khajehtourian, J. Mueller , A. Rafsanjani, V. Tournat, K. Bertoldi, and D. M. Kochmann.
PNAS February 4, 2020 117 (5) 2319-2325.
https://doi.org/10.1073/pnas.1913228117
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