Ingénierie de l’incassable : les métamatériaux microscopiques du MIT défient les impacts supersoniques

Les expériences à grande vitesse peuvent aider à identifier les éléments légers et protecteurs »métamatériaux» pour les vaisseaux spatiaux, les véhicules, les casques ou d’autres objets.

Une structure complexe d’entretoises et de poutres en forme de nid d’abeille pourrait mieux résister à un impact supersonique qu’une dalle solide du même matériau. De plus, la structure spécifique est importante, certaines étant plus résistantes aux impacts que d’autres.

C’est ce que MIT les ingénieurs découvrent lors d’expériences avec des métamatériaux microscopiques – des matériaux intentionnellement imprimés, assemblés ou autrement conçus avec des architectures microscopiques qui confèrent au matériau global des propriétés exceptionnelles.

Dans une étude publiée récemment dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesles ingénieurs font état d’une nouvelle façon de tester rapidement un éventail d’architectures métamatérielles et leur résilience aux impacts supersoniques.

En tirant des microparticules à des vitesses supersoniques, les ingénieurs du MIT peuvent tester la résilience de divers métamatériaux fabriqués à partir de structures aussi petites qu’un globule rouge. Sur la photo, quatre images fixes vidéo d’une microparticule frappant une structure constituée de métamatériaux. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Dans leurs expériences, l’équipe a suspendu de minuscules réseaux de métamatériaux imprimés entre des structures de support microscopiques, puis a tiré des particules encore plus petites sur les matériaux, à des vitesses supersoniques. Avec des caméras à grande vitesse, l’équipe a ensuite capturé des images de chaque impact et de ses conséquences, avec une précision de l’ordre de la nanoseconde.

Leurs travaux ont identifié quelques architectures métamatérielles plus résistantes aux impacts supersoniques que leurs homologues entièrement solides et non architecturés. Les chercheurs affirment que les résultats qu’ils ont observés au niveau microscopique peuvent être étendus à des impacts comparables à l’échelle macro, pour prédire comment les nouvelles structures matérielles à des échelles de longueur résisteront aux impacts dans le monde réel.

Les chercheurs impriment des matériaux complexes en nid d’abeille, suspendus entre des piliers de support du même matériau (photo). La structure microscopique est aussi haute que la largeur de trois cheveux humains. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

« Ce que nous apprenons, c’est que la microstructure de votre matériau est importante, même en cas de déformation élevée », explique l’auteur de l’étude Carlos Portela, professeur de développement de carrière britannique et Alex d’Arbeloff en génie mécanique au MIT. « Nous voulons identifier les structures résistantes aux chocs qui peuvent être transformées en revêtements ou en panneaux pour les engins spatiaux, les véhicules, les casques et tout ce qui doit être léger et protégé. »

Parmi les autres auteurs de l’étude figurent Thomas Butruille, premier auteur et étudiant diplômé du MIT, et Joshua Crone du laboratoire de recherche militaire DEVCOM.

Impact pur

Les nouvelles expériences à haute vitesse de l’équipe s’appuient sur leurs travaux antérieurs, dans lesquels les ingénieurs ont testé la résilience d’un matériau ultraléger à base de carbone. Ce matériau, plus fin que la largeur d’un cheveu humain, était constitué de minuscules entretoises et de poutres de carbone, que l’équipe a imprimées et placées sur une lame de verre. Ils ont ensuite projeté des microparticules vers le matériau, à des vitesses dépassant la vitesse du son.

Ces expériences supersoniques ont révélé que le matériau microstructuré résistait aux impacts à grande vitesse, déviant parfois les microparticules et parfois les capturant.

« Mais il y avait de nombreuses questions auxquelles nous ne pouvions pas répondre car nous testions les matériaux sur un substrat, ce qui aurait pu affecter leur comportement », explique Portela.

Les ingénieurs du MIT ont capturé une vidéo d’une microparticule projetée à travers un métamatériau architecturé avec précision, mesurant plus fin que la largeur d’un cheveu humain. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont développé un moyen de tester les métamatériaux autonomes, pour observer comment les matériaux résistent aux impacts uniquement par eux-mêmes, sans support ni substrat de support.

Dans leur configuration actuelle, les chercheurs suspendent un métamatériau d’intérêt entre deux piliers microscopiques constitués du même matériau de base. En fonction des dimensions du métamatériau testé, les chercheurs calculent la distance entre les piliers afin de soutenir le matériau à chaque extrémité tout en permettant au matériau de répondre à tout impact, sans aucune influence des piliers eux-mêmes.

« De cette façon, nous nous assurons que nous mesurons la propriété matérielle et non la propriété structurelle », explique Portela.

Une fois que l’équipe a choisi la conception du support du pilier, elle a ensuite testé diverses architectures métamatérielles. Pour chaque architecture, les chercheurs ont d’abord imprimé les piliers de support sur une petite puce de silicium, puis ont continué à imprimer le métamatériau sous forme de couche suspendue entre les piliers.

« Nous pouvons imprimer et tester des centaines de ces structures sur une seule puce », explique Portela.

Crevaisons et fissures

L’équipe a imprimé des métamatériaux suspendus qui ressemblaient à des sections transversales complexes en forme de nid d’abeille. Chaque matériau a été imprimé avec une architecture microscopique tridimensionnelle spécifique, telle qu’un échafaudage précis d’octets répétitifs ou des polygones à facettes supplémentaires. Chaque unité répétée mesurait aussi petite qu’un globule rouge. Les métamatériaux résultants étaient plus fins que la largeur d’un cheveu humain.

Les chercheurs ont ensuite testé la résilience aux impacts de chaque métamatériau en projetant des microparticules de verre vers les structures, à des vitesses allant jusqu’à 900 mètres par seconde (plus de 2 000 milles par heure), soit bien dans la plage supersonique. Ils ont filmé chaque impact avec une caméra et étudié les images résultantes, image par image, pour voir comment les projectiles ont pénétré chaque matériau. Ensuite, ils ont examiné les matériaux au microscope et comparé les conséquences physiques de chaque impact.

« Dans les matériaux architecturés, nous avons vu cette morphologie de petits cratères cylindriques après impact », explique Portela. « Mais dans les matériaux solides, nous avons constaté de nombreuses fissures radiales et de plus gros morceaux de matériau creusés. »

Dans l’ensemble, l’équipe a observé que les particules tirées créaient de petites perforations dans les métamatériaux en treillis, et que les matériaux restaient néanmoins intacts. En revanche, lorsque les mêmes particules étaient projetées aux mêmes vitesses dans des matériaux solides, sans treillis, de masse égale, elles créaient de grandes fissures qui se propageaient rapidement, provoquant l’effritement du matériau. Les matériaux microstructurés étaient donc plus efficaces pour résister aux impacts supersoniques ainsi que pour protéger contre de multiples impacts. Et en particulier, les documents imprimés avec des octets répétitifs semblaient les plus résistants.

Observations et orientations futures

« À la même vitesse, nous constatons que l’architecture de l’octet est plus difficile à briser, ce qui signifie que le métamatériau, par unité de masse, peut résister à des impacts jusqu’à deux fois plus importants que le matériau en vrac », explique Portela. « Cela nous indique qu’il existe certaines architectures qui peuvent rendre un matériau plus résistant et offrir une meilleure protection contre les chocs. »

À l’avenir, l’équipe prévoit d’utiliser la nouvelle méthode de test et d’analyse rapide pour identifier de nouvelles conceptions de métamatériaux, dans l’espoir de marquer des architectures pouvant être étendues à des équipements de protection, des vêtements, des revêtements et des panneaux plus solides et plus légers.

« Ce qui me passionne le plus, c’est de montrer que nous pouvons réaliser un grand nombre de ces expériences extrêmes sur une paillasse », déclare Portela. « Cela accélérera considérablement la vitesse à laquelle nous pourrons valider de nouveaux matériaux résilients, hautement performants. »

Ce travail a été financé, en partie, par le bureau de recherche de l’armée DEVCOM ARL par l’intermédiaire de l’Institut des nanotechnologies des soldats du MIT (ISN), et réalisé, en partie, à l’aide des installations de l’ISN et du MIT.nano.