Des chercheurs du Département de génie biomécanique de l'Université de technologie de Delft ont créé une nouvelle classe de métamatériaux qui peuvent modifier dynamiquement leur comportement mécanique. Il peut constituer la base d'applications pratiques telles que les vêtements de protection contre les chutes pour les personnes âgées. Les résultats doivent paraître dans le journal Avancées scientifiques le 17 juin.

Les métamatériaux sont des structures matérielles artificiellement conçues qui tirent leurs propriétés de leur conception microstructurale interne, plutôt que la composition chimique du matériau à partir duquel ils sont construits. Les métamatériaux peuvent être conçus pour montrer des propriétés exceptionnelles que l'on ne trouve pas dans les matériaux naturels simples. Par exemple, alors que les structures compressées dans une direction sont censées se développer dans la direction opposée, une classe de métamatériaux appelés matériaux auxétiques est délibérément conçue pour faire le contraire.

Fonctionnalités du métamatériau mécanique

Jusqu'ici, les fonctionnalités mécaniques des métamatériaux n'ont pas exploité les effets dépendant du temps. C'est surprenant, dit le Dr Shahram Janbaz, chercheur au groupe Biomaterials &Tissue Biomechanics de la TU Delft et premier auteur de l'article, parce que beaucoup de matériaux flexibles utilisés pour construire des métamatériaux mécaniques, comme les plastiques à base de polymère, présentent un comportement mécanique qui dépend de la vitesse à laquelle ils se déforment. "Matériaux viscoélastiques, lorsqu'il est tendu, subissent des changements lents qui dissipent l'énergie. Leur réponse mécanique, donc, dépend de la vitesse à laquelle vous les déformez."

L'équipe, dirigé par le Pr Amir Zadpoor, apporte désormais la dimension temporelle dans la boîte à outils du métamatériau mécanique, créant ce qui pourrait être considéré comme une nouvelle classe de métamatériaux qui peuvent changer dynamiquement leur comportement mécanique.

L'équipe a construit de hauts piliers constitués de deux matériaux différents :un côté est fabriqué à partir d'un matériau qui réagit à la vitesse de déformation tandis que le matériau de l'autre côté ne se soucie pas de la vitesse à laquelle il se déforme. Lors de l'application d'une force de compression le long de la direction de l'axe long de ce "bi-poutre, " l'élasticité des deux matériaux garantit qu'il ne casse pas mais qu'il se déforme.

Propriétés étranges

Les chercheurs ont montré que le bi-faisceau se déforme de manière prévisible vers la gauche ou la droite en fonction de la vitesse de compression. Ce comportement dépendant de la vitesse de déformation des bi-poutres est la clé pour créer de nouveaux matériaux avec des propriétés étranges jamais vues auparavant. "Tout ce que vous avez à faire est de trouver un moyen intelligent d'assembler les bi-poutres et les chances sont assez bonnes que vous trouviez un comportement mécanique qui n'a jamais été signalé auparavant, " dit Zadpoor.

Janbaz explique :« Par exemple, nous avons connecté deux parallèles, bi-poutres en miroir les unes aux autres grâce à des connecteurs rigides en tant que cellule unitaire de base qui peut être répétée dans toutes les directions pour créer une structure en treillis métamatériau tridimensionnelle. Nous avons trouvé que, en augmentant la vitesse de déformation, le comportement mécanique d'une telle cellule est complètement passé d'auxétique à conventionnel. » Les vidéos accompagnant la publication montrent comment un réseau composé de cellules unitaires interconnectées se rétrécit pour les faibles vitesses de compression et se dilate pour les vitesses élevées.

Applications

L'une des applications potentielles des métamatériaux présentant un tel comportement de commutation est celle de la protection contre les chutes. Dit Zadpoor, "Imaginez une couche portable. Dans des circonstances normales, il est doux et suit les mouvements du corps. Lorsqu'un impact survient, le matériau change de comportement, agissant comme un amortisseur." Cela pourrait aider les personnes souffrant d'ostéoporose, où les fractures osseuses constituent une complication majeure.

Les chercheurs ont également créé des treillis à double faisceau qui sont programmés pour devenir moins rigides s'ils sont tendus plus rapidement. Ce comportement peut être appelé viscoélasticité négative et n'a pas été observé auparavant dans les solides.

Bien qu'il puisse être difficile de créer des bipoutres beaucoup plus petites de la même conception que les systèmes modèles centimétriques testés ici, les chercheurs voient des possibilités d'utiliser des techniques d'impression 3D pour créer des réseaux de minuscules bi-faisceaux.

Les chercheurs sont enthousiasmés par le potentiel de leur conception bi-faisceau. "Nous nous attendons à ce que cet élément de base puisse être utilisé pour créer une riche variété de comportements mécaniques, " dit Janbaz.