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

Résultat scientifique Matériaux et structures

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, l'Empa de Dübendorf et l'Université norvégienne des sciences et technologie de Trondheim, ouvre une voie vers la réalisation de composants adaptables pour le contrôle des ondes élastiques. L'étude est publiée dans la revue Nature Communications.

Les métamatériaux sont des matériaux conçus avec une structuration géométrique particulière, afin d'obtenir des propriétés physiques nouvelles. Ainsi, un métamatériau peut altérer la propagation des ondes élastiques de manière à les atténuer sur une certaine gamme de fréquences : le solide fonctionne comme un filtre. Mais cette propriété est figée : pour modifier la plage 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, 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.

Les chercheurs ont fabriqué un guide d'onde, en polymère chargé de molécules réactives à la lumière bleu, sous la forme d'une plaque de quelques centimètres surmontée d'une rangée de piliers carrés. L'ensemble est obtenu par un procédé d'impression 3D (photopolymérisation). Des ondes sont envoyées dans le matériau à l'aide d'un transducteur 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 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, 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 européen FET Open « Boheme », veulent maintenant étudier les propriétés de ce dispositif à plus petite échelle, ce qui devrait permettre d'atteindre des temps de réaction de l'ordre de la seconde. Des essais à plus grande échelle sont aussi envisagés, dans la perspective d'applications en contrôle non destructif et pour l'isolation des bâtiments.

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© IEMN
Représentation schématique du métamatériau élastique photosensible adaptable.

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

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Communication INSIS
Marco Miniaci
IEMN