Au cours des 20 dernières années, les scientifiques ont développé des métamatériaux, ou des matériaux qui n'existent pas naturellement et dont les propriétés mécaniques résultent de leur structure conçue plutôt que de leur composition chimique. Ils permettent aux chercheurs de créer des matériaux avec des propriétés et des formes spécifiques. Les métamatériaux sont encore peu utilisés dans les objets du quotidien, mais cela pourrait bientôt changer. Tian Chen, un post-doc dans deux laboratoires de l'EPFL :le Laboratoire des structures flexibles, dirigé par Pedro Reis, et le Laboratoire de calcul géométrique, dirigé par Mark Pauly—a fait faire un pas de plus aux métamatériaux, en développer un dont les propriétés mécaniques peuvent être reprogrammées après la fabrication du matériau. Ses recherches apparaissent dans La nature .

Un seul matériau avec plusieurs fonctions mécaniques

"Je me suis demandé s'il existait un moyen de modifier la géométrie interne de la structure d'un matériau après sa création, " dit Chen. " L'idée était de développer un seul matériau qui peut afficher une gamme de propriétés physiques, comme la rigidité et la force, afin que les matériaux n'aient pas à être remplacés à chaque fois. Par exemple, quand tu te tords la cheville, vous devez d'abord porter une attelle rigide pour maintenir la cheville en place. Puis pendant qu'il guérit, vous pouvez passer à une version plus flexible. Aujourd'hui, vous devez remplacer toute l'attelle, mais l'espoir est qu'un jour, un seul matériau peut remplir les deux fonctions."

Silicium et poudre magnétique

Le métamatériau de Chen est composé de silicium et de poudre magnétique et a une structure compliquée qui permet aux propriétés mécaniques de varier. Chaque cellule de la structure se comporte comme un interrupteur électrique. "Vous pouvez activer et désactiver des cellules individuelles en appliquant un champ magnétique. Cela modifie l'état interne du métamatériau, et par conséquent ses propriétés mécaniques, " dit Chen. Il explique que son matériel programmable est analogue aux appareils informatiques comme les disques durs. Ces appareils contiennent des bits de données qui peuvent être écrits et lus en temps réel. Les cellules de son métamatériau programmable, appelés m-bits, fonctionnent comme les bits d'un disque dur - ils peuvent être allumés, rendre le matériau plus rigide, ou éteint, le rendant plus flexible. Et les chercheurs peuvent programmer diverses combinaisons d'activation et de désactivation pour donner au matériau exactement les propriétés mécaniques dont ils ont besoin à tout moment.

Pour développer son matériel, Chen s'est inspiré de méthodes issues à la fois de l'informatique et du génie mécanique. "C'est ce qui rend son projet si spécial, " dit Pauly. Chen a également passé un temps considérable à tester son matériau dans chacun de ses différents états. Il a découvert qu'il pouvait en effet être programmé pour atteindre divers degrés de rigidité, déformation et résistance.

De nombreux horizons de recherche

Les métamatériaux programmables s'apparentent à des machines, comme les robots, qui emploient compliqué, mécanismes électroniques énergivores. Avec ses recherches, Chen vise à trouver le bon équilibre entre les matériaux statiques et les machines. Reis voit beaucoup de potentiel pour d'autres recherches utilisant la technologie de Chen. « Nous pourrions concevoir une méthode pour créer des structures en 3D, puisque ce que nous avons fait jusqu'à présent n'est qu'en 2-D, " dit Reis. " Ou nous pourrions réduire l'échelle pour fabriquer des métamatériaux encore plus petits. " La découverte de Chen marque un pas en avant fondamental, car c'est la première fois que des scientifiques développent un métamatériau mécanique véritablement reprogrammable. Il ouvre de nombreuses voies passionnantes pour la recherche et les applications industrielles de pointe.