Des chercheurs de l’Université de Tel Aviv, sous la direction du Prof. Yair Shokef de l’École de génie mécanique, ont développé une nouvelle méthode pour concevoir des méta-matériaux et en contrôler les propriétés en y implantant des défauts structurels pour modifier utilement leur texture et leur comportement. La nouvelle technologie pourra être utilisée dans de nombreux domaines de l’ingénierie, de l’aviation à l’automobile en passant par l’emballage intelligent, et permettra, entre autres, de protéger les systèmes et les zones sensibles dans des situations de dégâts mécaniques, comme par exemple un véhicule impliqué dans un accident.
“Nous comprenons tous intuitivement la différence entre une feuille de papier plane et la même feuille, lorsque nous la froissons et la transformons en boule”, explique le Prof. Schokef. “La feuille est plane est flexible, alors que la boule est chiffonnée et rigide. En d’autres termes, la boule est un meta-matériau (matériau composite artificiel) dont les propriétés mécaniques se sont modifiées à la suite d’un changement de forme. Nous avons cherché une méthode qui nous permettrait de modifier la forme et la structure interne d’un matériau de manière contrôlée, afin de créer un méta-matériau possédant les propriétés mécaniques souhaitables pour un usage donné. Pour ce faire, nous avons créé un méta-matériau, et implanté des défauts à l’intérieur de l’ensemble des blocs de construction qui le composent”.
De nouveaux matériaux à la demande
Dans une première phase, les chercheurs ont conçu un modèle de matériau sans défaut: une structure plane constituée de blocs de construction triangulaires formant des alvéoles et des protubérances qui s’assemblent entre elles à la manière des pièces d’un puzzle, les excroissances s’emboitant dans les creux. Ils ont ensuite introduit un défaut structurel dans le modèle, en déviant une série de blocs de manière à ce qu’ils ne puissent plus s’assembler harmonieusement avec les pièces des rangées adjacentes. “Une telle irrégularité est appelée défaut topologique”, explique le Prof. Shokef.
Le modèle défectueux a été envoyé à une imprimante 3D, qui l’a imprimé avec une matière réelle. Selon le Prof. Shokef, “le produit de l’impression était un méta-matériau mécanique innovant, le premier jamais créé à avoir un comportement asymétrique”. Contrairement au matériau parfait et sans défaut qui était mou de tous les côtés, le méta-matériau défectueux était mou d’un côté et dur de l’autre. De plus, lorsqu’on inversait ses côtés, en appuyant sur l’un et en tirant sur l’autre, leurs propriétés permutaient : les parties dures devenaient molles et vice et versa.
“Nous avons développé une plate-forme innovante permettant la conception de méta-matériaux mécaniques, qui peut convenir à un large éventail de domaines et d’utilisations”, conclut le Prof. Shokef. “Elle est basée sur l’implantation délibérée de défauts dans le système interne des blocs de construction du matériau et permet de créer des meta-matériaux aux nouvelles propriétés mécaniques de manière contrôlée et à la demande. Par exemple, on pourra concevoir un revêtement pour les dispositifs technologiques qui dirigera les éventuels chocs mécaniques vers les zones solides du dispositif, et évitera d’endommager les pièces électroniques délicates; ou encore un capitonnage intelligent pour verres fragiles ; ou bien un véhicule qui, en cas d’accident, éloigne les forces dévastatrices des passagers; et même des pinces nanométriques qui font passer la force mécanique d’un côté à l’autre pour attraper des particules minuscules.
L’étude a été réalisée en collaboration avec des chercheurs de l’Institut AMOLF d’Amsterdam et de l’Université de Leiden aux Pays-Bas.
Un méta-matériau mécanique complexe conçu pour se déformer sans changement de la longueurs de ses baguettes (crédit Anne Meeussen
Une combinaison de blocs de construction triangulaires permettant une distorsion sans changement de la longueur de ses baguettes (crédit Anne Meeussen)
Publication dans Nature Physics, le 27 janvier 2020
Auteur : Sivan Cohen-Wiesenfeld, PhD, Rédac’chef de la newsletter des Amis français de l’Université de Tel Aviv