Une combinaison magique – Les scientifiques développent une nouvelle classe de matériaux

Préférez-vous vous heurter à un mur de briques ou à un matelas ? La majorité des gens trouveraient cette décision 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 tels chocs. Fait intéressant, dans le domaine de la conception matérielle, ces deux caractéristiques peuvent être souhaitées.

Les matériaux doivent être aptes à dissiper les vibrations, tout en maintenant une rigidité suffisante pour empêcher l’effondrement sous une pression importante. Une équipe de chercheurs de l’UvA Institute of Physics a maintenant trouvé un moyen de concevoir des matériaux capables de faire ces deux choses.

Habituellement, les deux caractéristiques d’un matériau s’excluent mutuellement : quelque chose est soit rigide, soit il peut bien absorber les vibrations – mais rarement les deux. Cependant, si nous pouvions fabriquer des matériaux à la fois rigides et capables d’absorber les vibrations, il y aurait une multitude d’applications potentielles, de la conception à l’échelle nanométrique à l’ingénierie aérospatiale.

Un échantillon de métamatériau de caoutchouc avec une masse sur le dessus est soumis à des excitations : d’abord avec des fréquences croissantes puis avec une fréquence décroissante. Lorsqu’il est soumis à une forte excitation, l’échantillon flambe. Le flambage est plus prononcé avec une fréquence décroissante. Crédit : Université d’Amsterdam

Le flambage fait l’affaire

Une équipe de chercheurs de l’Université d’Amsterdam a maintenant trouvé un moyen de créer des matériaux rigides, mais capables d’absorber les vibrations et, ce qui est tout aussi important, qui peuvent rester 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 tôles. Lorsqu’elles sont assemblées de manière astucieuse, les constructions faites de telles tôles gauchies deviennent de grands absorbeurs de vibrations – mais en même temps, elles préservent une grande partie de la rigidité du matériau dont elles sont faites. De plus, les feuilles n’ont pas besoin d’être très épaisses, et le matériau peut donc rester relativement léger.

L’image (début de l’article) montre un exemple de matériau qui utilise ce flambage des tôles pour combiner toutes ces propriétés recherchées.

Un échantillon de métamatériau métallique avec une masse sur le dessus est soumis à des excitations : d’abord avec des fréquences croissantes puis avec une fréquence décroissante. Lorsqu’il est soumis à une forte excitation, l’échantillon flambe. Le flambage est plus prononcé avec une fréquence décroissante. Crédit : Université d’Amsterdam

Une foule d’applications

Les chercheurs ont étudié en profondeur les propriétés de ces matériaux déformés et ont découvert qu’ils présentaient tous cette combinaison magique de rigidité et de capacité à dissiper les vibrations. Comme les matériaux connus n’ont pas cette combinaison de propriétés souhaitée, les nouveaux matériaux fabriqués en laboratoire (ou

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Les utilisations possibles vont de la taille du mètre (pensez à l’aérospatiale, aux applications automobiles et à de nombreuses autres conceptions civiles) à la micro-échelle (applications telles que les microscopes ou la nanolithographie).

Dykstra : « Les humains aiment construire des choses – petites et grandes – et nous voulons presque toujours que ces structures soient légères. Si cela peut être fait 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 fin aux applications possibles !

Référence : « Buckling Metamaterials for Extreme Vibration Damping » par David MJ Dykstra, Coen Lenting, Alexandre Masurier et Corentin Coulais, 18 mai 2023, Matériaux avancés.
DOI : 10.1002/adma.202301747