Un matériau déformé qui est à la fois rigide et capable d’absorber les vibrations. Crédit : D. Dykstra et al.
Préféreriez-vous vous heurter à un mur de briques ou à un matelas ? Pour la majorité des gens, cette décision est simple. La dureté d’un mur de briques n’amortit pas efficacement les chocs ou les vibrations, alors qu’un matelas, avec sa douceur, est un excellent absorbeur de ces chocs. Il est intéressant de noter que dans le domaine de la conception des matériaux, ces deux caractéristiques peuvent être souhaitées.
Les matériaux doivent être capables de dissiper les vibrations tout en conservant une rigidité suffisante pour ne pas s’effondrer sous l’effet d’une pression importante. Une équipe de chercheurs de l’Institut de physique de l’UvA a maintenant trouvé un moyen de concevoir des matériaux qui parviennent à faire ces deux choses.
Habituellement, les deux caractéristiques d’un matériau s’excluent mutuellement : un matériau est soit rigide, soit capable d’absorber les vibrations, mais rarement les deux à la fois. Cependant, si nous pouvions fabriquer des matériaux à la fois rigides et capables d’absorber les vibrations, il y aurait toute une série d’applications potentielles, de la conception à l’échelle nanométrique à l’ingénierie aérospatiale.
Un échantillon de métamatériau en caoutchouc surmonté d’une masse est soumis à des excitations : d’abord à des fréquences croissantes, puis à des fréquences décroissantes. Lorsqu’il est soumis à une forte excitation, l’échantillon se déforme. Le flambage est plus prononcé lorsque la fréquence diminue. Crédit : Université d’Amsterdam
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Le flambage fait l’affaire
Une équipe de chercheurs de l’université d’Amsterdam a trouvé le moyen de créer des matériaux rigides, mais capables d’absorber les vibrations, et surtout très légers.
David Dykstra, auteur principal de la publication, explique : « Nous avons découvert que l’astuce consistait à utiliser des matériaux qui se déforment, comme de fines feuilles de métal. Lorsqu’elles sont assemblées de manière intelligente, les constructions constituées de ces feuilles gondolées deviennent d’excellents absorbeurs de vibrations, tout en conservant une grande partie de la rigidité du matériau dont elles sont constituées. De plus, les feuilles n’ont pas besoin d’être très épaisses, ce qui permet de conserver un matériau relativement léger ».
L’image (au début de l’article) montre un exemple de matériau qui utilise le flambage des feuilles de métal pour combiner toutes les propriétés souhaitées.
Un échantillon de métamatériau métallique surmonté d’une masse est soumis à des excitations : d’abord à des fréquences croissantes, puis à des fréquences décroissantes. Lorsqu’il est soumis à une forte excitation, l’échantillon se déforme. Le flambage est plus prononcé lorsque la fréquence diminue. Crédit : Université d’Amsterdam
De nombreuses applications
Les chercheurs ont étudié en détail les propriétés de ces matériaux déformés et ont constaté qu’ils présentaient tous cette combinaison magique de rigidité et de capacité à dissiper les vibrations. Comme les matériaux connus ne possèdent pas cette combinaison de propriétés, les nouveaux matériaux fabriqués en laboratoire (ou métamatériaux) ont un très large éventail d’applications potentielles, et ce à des échelles très variées.
Les utilisations possibles vont de la taille d’un mètre (pensez à l’aérospatiale, aux applications automobiles et à de nombreuses autres conceptions civiles) à l’échelle microscopique (applications telles que les microscopes ou la nanolithographie).
Dykstra : « Les êtres humains aiment construire des choses – petites ou grandes – et nous voulons presque toujours que ces structures soient légères. Si cela est possible avec des matériaux à la fois rigides et capables d’absorber les chocs, de nombreuses conceptions existantes peuvent être améliorées et de nombreuses nouvelles conceptions deviennent possibles. Il n’y a vraiment pas de limite aux applications possibles !
Référence : « Buckling Metamaterials for Extreme Vibration Damping » par David M.J. Dykstra, Coen Lenting, Alexandre Masurier et Corentin Coulais, 18 mai 2023, Advanced Materials.
DOI : 10.1002/adma.202301747