Des métamatériaux inspirés des réseaux résistent mieux aux chocs
· Rédaction BehindLines
Des ingénieurs du MIT et de la Northeastern University ont conçu des matériaux dont la structure interne est un réseau désordonné de poutres de tailles très variées, et non un motif répété à l'identique. Selon le communiqué du MIT, ces « métamatériaux riches en échelles » encaissent mieux les chocs que les versions ordonnées classiques. L'étude est parue le 11 novembre dans la revue Nature.
Rompre avec la répétition
Dans un métamatériau, c'est la structure interne qui confère au matériau ses propriétés exceptionnelles. Jusqu'ici, on répétait en général une même cellule élémentaire, comme un réseau carré ou en nid d'abeilles. Carlos Portela, professeur associé de génie mécanique au MIT, explique que ces motifs uniformes ont des limites : si une zone est percée ou fissurée, les cellules voisines, identiques, se déforment de la même façon et l'ensemble cède vite.
L'équipe s'est tournée vers la science des réseaux, qui décrit aussi bien les circuits neuronaux que l'internet, avec le physicien Albert-László Barabási, de la Northeastern. Un algorithme trace des lignes à angles et positions aléatoires, de plus en plus courtes et fines. Deux paramètres seulement, l'épaisseur de départ et la vitesse à laquelle elle diminue, suffisent à produire une grande variété de réseaux et à régler la rigidité.
Les essais
Les chercheurs ont imprimé en 3D des échantillons en polymère, de la taille d'une carte bancaire, dont les poutres vont du micron au centimètre. Ils les ont soumis à la chute d'un poids et à des compressions, et les ont comparés à des treillis classiques et en nid d'abeilles. Les réseaux se sont montrés plus résistants à la compression et aux chocs. Portela l'attribue à l'abondance d'échelles : si une partie lâche, le maillage autour empêche la rupture brutale. Le résumé de l'article mentionne aussi une anisotropie élastique très réglable et une forte absorption d'énergie.
Autre démonstration : un matériau dont la densité varie comme l'écorce épaisse d'un pomélo, avec des bords plus denses, a protégé un objet fragile placé en son centre.
Pourquoi c'est important
Selon le MIT, la méthode pourrait servir à concevoir des casques, des blindages ou des lentilles acoustiques. Tim Chen, de l'Imperial College London, qui n'a pas participé à l'étude, y voit un cadre de conception pour toute structure devant porter une charge, absorber de l'énergie ou maîtriser des vibrations. Les essais décrits portent sur des échantillons imprimés en polymère. Le travail a reçu le soutien du programme DMREF de la National Science Foundation américaine.