Des ingénieurs et des scientifiques de l'Université du Texas à Austin et de l'institut AMOLF aux Pays-Bas ont inventé les premiers métamatériaux mécaniques qui transfèrent facilement le mouvement sans effort dans une direction tout en le bloquant dans l'autre, comme décrit dans un article publié le 13 février dans La nature . Le matériau peut être considéré comme un bouclier mécanique à sens unique qui empêche l'énergie d'entrer mais la transmet facilement en sortant de l'autre côté.

Les chercheurs ont développé les premiers matériaux mécaniques non réciproques utilisant des métamatériaux, qui sont des matériaux synthétiques aux propriétés introuvables dans la nature.

Briser la symétrie du mouvement peut permettre un meilleur contrôle des systèmes mécaniques et une efficacité améliorée. Ces métamatériaux non réciproques peuvent potentiellement être utilisés pour réaliser de nouveaux types de dispositifs mécaniques :par exemple, les actionneurs (composants d'une machine chargés de déplacer ou de contrôler un mécanisme) et d'autres dispositifs susceptibles d'améliorer l'absorption d'énergie, conversion et récolte, robotique douce et prothèses.

La percée des chercheurs réside dans la capacité à dépasser la réciprocité, un principe fondamental régissant de nombreux systèmes physiques, ce qui garantit que nous obtenons la même réponse lorsque nous poussons une structure arbitraire dans des directions opposées. Ce principe régit la façon dont les signaux de diverses formes voyagent dans l'espace et explique pourquoi, si nous pouvons envoyer une radio ou un signal acoustique, nous pouvons également le recevoir. En mécanique, la réciprocité implique que le mouvement à travers un objet est transmis symétriquement :si en poussant sur le côté A nous déplaçons le côté B d'une certaine quantité, on peut s'attendre au même mouvement du côté A en poussant B.

"Les métamatériaux mécaniques que nous avons créés fournissent de nouveaux éléments dans la palette que les scientifiques des matériaux peuvent utiliser pour concevoir des structures mécaniques, " a déclaré Andrea Alu, professeur à la Cockrell School of Engineering et co-auteur de l'article. "Cela peut être d'un intérêt extrême pour les applications dans lesquelles il est souhaitable de briser la symétrie naturelle avec laquelle le déplacement des molécules se déplace dans la microstructure d'un matériau."

Au cours des deux dernières années, Alu, avec le chercheur de la Cockrell School Dimitrios Sounas et d'autres membres de leur équipe de recherche, ont fait des percées passionnantes dans le domaine des dispositifs non réciproques pour l'électromagnétisme et l'acoustique, y compris la réalisation de dispositifs non réciproques uniques pour le son, ondes radio et lumière. Lors d'une visite à l'institut AMOLF aux Pays-Bas, ils ont entamé une collaboration fructueuse avec Corentin Coulais, un chercheur de l'AMOLF, qui a récemment développé des métamatériaux mécaniques. Leur interaction étroite a conduit à cette percée.

Les chercheurs ont d'abord créé un métamatériau centimétrique avec une conception de squelette en arête de poisson spécialement conçue. Ils ont adapté sa conception pour répondre aux principales conditions de rupture de la réciprocité, à savoir une asymétrie et une réponse qui n'est pas linéairement proportionnelle à la force exercée.

"Cette structure nous a inspiré pour la conception d'un deuxième métamatériau, avec des propriétés non réciproques inhabituellement fortes, " a déclaré Coulais. " En substituant les éléments géométriques simples du métamatériau en arête de poisson par une architecture plus complexe faite de carrés et de losanges connectés, nous avons constaté que nous pouvons briser très fortement les conditions de réciprocité, et nous pouvons obtenir une très grande réponse non réciproque."

La structure du matériau est un réseau de carrés et de losanges complètement homogène dans tout l'échantillon, comme un matériau ordinaire. Cependant, chaque unité du treillis est légèrement inclinée d'une certaine manière, et cette différence subtile contrôle considérablement la façon dont le métamatériau répond aux stimuli externes.

"Le métamatériau dans son ensemble réagit de manière asymétrique, avec une face très rigide et une face très souple, " a déclaré Sounas. " La relation entre l'asymétrie de l'unité et l'emplacement du côté mou peut être prédite par un cadre mathématique très générique appelé topologie. Ici, quand les unités architecturales penchent à gauche, le côté droit du métamatériau sera très doux, et vice versa."

Lorsque les chercheurs appliquent une force sur le côté mou du métamatériau, il induit facilement des rotations des carrés et des losanges au sein de la structure, mais seulement à proximité immédiate du point de pression, et l'effet de l'autre côté est faible. Inversement, lorsqu'ils appliquent la même force sur le côté rigide, le mouvement se propage et est amplifié dans tout le matériau, avec un grand effet de l'autre côté. Par conséquent, pousser de la gauche ou de la droite entraîne des réponses très différentes, donnant une grande non-réciprocité même pour de petites forces appliquées.

L'équipe est impatiente d'exploiter ces métamatériaux mécaniques topologiques pour diverses applications, les optimiser, et en sculptant des dispositifs pour des applications en robotique douce, prothèses et récupération d'énergie.