Au cours de ses recherches de doctorat à l'Université Harvard, Le chef du groupe AMOLF, Bas Overvelde, a développé une méthode intelligente pour concevoir et étudier de nouveaux métamatériaux. Pour de tels matériaux, la microstructure détermine la fonction, plutôt que la composition moléculaire. Le métamatériau idéal change de forme de manière autonome pour atteindre la fonctionnalité souhaitée. Overvelde et ses collègues américains ont développé une boîte à outils pour concevoir de tels métamatériaux qui peuvent prendre différentes formes d'une manière qui rappelle l'origami. Ils ont publié leurs recherches le 19 janvier 2017 dans La nature .

Dans le cas de nombreux métamatériaux, la microstructure unique est ce qui les rend parfaitement adaptés à une tâche spécifique, par exemple dévier ou conduire la lumière ou le son, ou d'amortissement des vibrations. "Notre idéal était de concevoir des métamatériaux pouvant assumer différentes structures tridimensionnelles et donc avoir des fonctionnalités adaptables, " dit Bas Overvelde, qui a obtenu son doctorat en 2016 sous la direction du professeur Katia Bertoldi à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

A la manière d'un origami

Overvelde et Bertoldi ont collaboré avec des concepteurs pour développer une stratégie visant à s'attaquer systématiquement à la conception de métamatériaux reconfigurables. La forme de base dans la conception est un polyèdre régulier, dans lequel des surfaces carrées ou à angle droit sont toujours placées sur les nervures de sorte qu'une structure tridimensionnelle se pose qui rappelle une forme d'origami plié. Overvelde :« La structure peut se plier sur les bords entre deux surfaces. La relation entre la rigidité des surfaces et les lignes de pliage détermine le comportement du métamatériau éventuel et donc la simplicité avec laquelle le matériau peut changer de forme.

Raideur

Les chercheurs ont développé un modèle dans lequel ils ont utilisé des formes mathématiques simples pour concevoir une multiplicité de structures différentes et identifier leurs configurations possibles. Pour certains métamatériaux obtenus en utilisant leur stratégie de conception, les chercheurs ont construit des structures en 3D avec des surfaces de carton et des lignes de pliage de ruban adhésif double face. Bien que ces structures modèles aient simplement pour but d'illustrer le concept, ils ont néanmoins clairement montré les manières impressionnantes dont ces matériaux peuvent changer de forme.

"La force de notre modèle est qu'il est complètement évolutif, " dit Overvelde. " Peu importe que le matériau final soit à une hauteur de mètres ou à l'échelle du nanomètre. Tant que le rapport entre la rigidité des surfaces et les charnières reste constant, la forme - et donc la fonctionnalité - change de la même manière."

L'évolutivité signifie également que ces métamatériaux ont de nombreuses applications possibles :des matériaux photoniques programmables à l'échelle nanométrique aux constructions architectoniques de plusieurs mètres de haut. Overvelde : « Les spécialistes peuvent utiliser notre boîte à outils pour concevoir des métamatériaux pour leur discipline spécifique. »

Capteurs

Après sa thèse de doctorat, Overvelde a créé le groupe Soft Robotic Matter à AMOLF, où il étudie plus en détail les changements de forme dans les métamatériaux. "En utilisant des éléments actifs et des capteurs, les forces qui provoquent le changement de forme d'un métamatériau ne doivent pas être appliquées à l'extérieur mais sont réalisées à l'intérieur, " dit-il. " En combinant les connaissances de la robotique et des métamatériaux, nous pouvons concevoir des matériaux qui répondent de manière active et non linéaire à l'environnement. "