Dans le domaine des sciences et de l'ingénierie, il est inhabituel que l'innovation vienne d'un seul coup. Il s'agit le plus souvent d'un travail minutieux par lequel l'extraordinaire devient peu à peu ordinaire.
Mais nous sommes peut-être à un point d’inflexion sur cette voie lorsqu’il s’agit de structures techniques dont les propriétés mécaniques ne ressemblent à rien de ce que l’on a vu auparavant dans la nature, également connues sous le nom de métamatériaux mécaniques. Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université du Michigan et de l’Air Force Research Laboratory (AFRL) a montré comment imprimer en 3D des tubes complexes qui peuvent utiliser leur structure complexe pour contrecarrer les vibrations.
De telles structures pourraient être utiles dans diverses applications où les utilisateurs souhaitent amortir les vibrations, notamment dans les transports, le génie civil, etc. La nouvelle étude de l'équipe, publiée dans la revue Examen physique appliqués'appuie sur des décennies de recherche théorique et informatique pour créer des structures qui empêchent passivement les vibrations essayant de se déplacer d'un bout à l'autre.
« C'est là que réside la vraie nouveauté. Nous avons pris conscience : nous pouvons réellement fabriquer ces choses », a déclaré James McInerney, chercheur associé à l'AFRL. McInerney était auparavant chercheur postdoctoral à l'UM et travaillait avec Xiaoming Mao, professeur de physique, également auteur de la nouvelle étude.
« Nous sommes optimistes que ces méthodes peuvent être appliquées à de bonnes fins. Dans ce cas, il s'agit d'une isolation contre les vibrations », a déclaré McInerney.
Serife Tol, professeur agrégé de génie mécanique à l'UM, a contribué à l'étude, tout comme Othman Oudghiri-Idrissi de l'Université du Texas et Carson Willey et Abigail Juhl de l'AFRL.
« Pendant des siècles, les humains ont amélioré les matériaux en modifiant leur chimie. Notre travail s'appuie sur le domaine des métamatériaux, où c'est la géométrie, plutôt que la chimie, qui donne naissance à des propriétés inhabituelles et utiles », a déclaré Mao. « Ces principes géométriques peuvent s'appliquer de l'échelle nanométrique à l'échelle macro, ce qui nous confère une robustesse extraordinaire. »
Fondations structurelles
La nouvelle étude est un mélange d'ingénierie structurelle à l'ancienne, de physique relativement nouvelle et de technologies de fabrication avancées, comme l'impression 3D, qui deviennent de plus en plus impressionnantes, a déclaré McInerney.
« Il y a une réelle probabilité que nous soyons capables de fabriquer des matériaux à partir de zéro avec une précision folle », a-t-il déclaré. « La vision est que nous allons pouvoir créer des matériaux architecturés très spécifiquement et la question que nous nous posons est : « Que pouvons-nous faire avec cela ? Comment pouvons-nous créer de nouveaux matériaux différents de ceux que nous utilisons habituellement ? »
Cependant, comme l'a dit Mao, l'équipe ne modifie pas la chimie ou la composition moléculaire des matériaux. Les chercheurs étudient comment utiliser un contrôle précis de la forme d’un matériau de construction arbitraire pour obtenir de nouvelles propriétés bénéfiques.
Les os humains et les « coquilles » de plancton, par exemple, profitent de cette stratégie dans la nature. Ils sont construits avec des géométries complexes pour obtenir plus que ce à quoi on pourrait s'attendre des substances à partir desquelles ils sont fabriqués. Grâce à des outils tels que l'impression 3D, les chercheurs peuvent désormais appliquer cette stratégie aux métaux, polymères et autres matériaux pour créer des propriétés recherchées qui n'étaient pas réalisables auparavant.
« L'idée n'est pas de remplacer l'acier et le plastique, mais de les utiliser plus efficacement », a déclaré McInerney.
La nouvelle école rencontre la vieille école
Bien que ce travail s’appuie sur des innovations modernes, il repose sur d’importants fondements historiques. Il y a, par exemple, les travaux du célèbre physicien du XIXe siècle, James Clerk Maxwell. Bien qu'il soit surtout connu pour ses travaux en électromagnétisme et en thermodynamique, il s'est également intéressé à la mécanique et a développé des considérations de conception utiles pour créer des structures stables avec des sous-unités répétitives appelées réseaux de Maxwell, a déclaré McInerney.
Un autre concept clé derrière la nouvelle étude est apparu dans la seconde moitié du 20e siècle, lorsque les physiciens ont découvert que des comportements intéressants et déroutants apparaissaient à proximité des bords et des limites des matériaux. Cela a conduit à un nouveau domaine d'étude, connu sous le nom de topologie, qui est toujours très actif et s'efforce d'expliquer ces comportements et d'aider à les exploiter dans le monde réel.
« Il y a environ dix ans, une publication fondamentale a découvert que les réseaux de Maxwell pouvaient présenter une phase topologique », a déclaré McInerney.
Au cours des dernières années, McInerney et ses collègues ont exploré les implications de cette étude en ce qui concerne l'isolation vibratoire. L'équipe a construit un modèle expliquant ce comportement et comment concevoir un objet réel qui le présenterait. L’équipe a maintenant prouvé que son modèle en est à son stade le plus avancé en fabriquant de tels objets avec du nylon imprimé en 3D.
Un rapide coup d’œil aux structures révèle pourquoi leur réalisation était auparavant un tel défi. Ils ressemblent à une clôture à mailles losangées qui a été repliée et enroulée dans un tube avec une couche intérieure et extérieure connectée. Les physiciens appellent ces tubes kagome, une référence au tressage de paniers japonais traditionnel qui utilisait des motifs similaires.
Ce n'est cependant que la première étape pour réaliser le potentiel de telles structures, a déclaré McInerney. Par exemple, l’étude a également montré que plus une structure parvient à supprimer les vibrations, moins elle peut supporter de poids. Il s’agit d’un compromis coûteux, voire inacceptable, en termes d’applications, mais il met en lumière des opportunités intéressantes et des questions qui restent à un niveau fondamental, a-t-il déclaré.
À mesure que de telles structures nouvelles seront créées, les scientifiques et les ingénieurs devront élaborer de nouvelles normes et approches pour les tester, les caractériser et les évaluer, ce qui constitue un défi qui passionne McInerney.
« Parce que nous avons de nouveaux comportements, nous sommes encore en train de découvrir non seulement les modèles, mais aussi la manière dont nous les testerions, les conclusions que nous tirerions des tests et comment nous implémenterions ces conclusions dans un processus de conception », a-t-il déclaré. « Je pense que ce sont les questions auxquelles il faut honnêtement répondre avant de commencer à répondre aux questions sur les candidatures. »
