Le matériau élastique avec des aimants intégrés dont les pôles sont codés par couleur rouge et bleu. L’orientation des aimants dans différentes directions modifie la réponse du métamatériau. Crédit : Courtoisie UMass Amherst
Une équipe de chercheurs de l’Université de Massachusetts Amherst a récemment annoncé dans le Proceedings of the National Academy of Sciences qu’ils avaient mis au point une nouvelle substance solide ressemblant à du caoutchouc et possédant des qualités surprenantes. Elle peut absorber et libérer de très grandes quantités d’énergie. Et elle est programmable. Pris dans son ensemble, ce nouveau matériau est très prometteur pour un très large éventail d’applications, allant de la possibilité de doter les robots d’une plus grande puissance sans utiliser d’énergie supplémentaire à la création de nouveaux casques et de matériaux de protection capables de dissiper l’énergie beaucoup plus rapidement.
“Imaginez un élastique”, explique Alfred Crosby, professeur de science et d’ingénierie des polymères à UMass Amherst et auteur principal de l’article. “Vous le tirez en arrière, et quand vous le relâchez, il vole à travers la pièce. Imaginez maintenant un super élastique. Lorsque vous l’étirez au-delà d’un certain point, vous activez l’énergie supplémentaire stockée dans le matériau. Quand vous relâchez cet élastique, il vole sur 1,5 km.”
Cet élastique hypothétique est fabriqué à partir d’un nouveau métamatériau – une substance conçue pour avoir une propriété que l’on ne trouve pas dans les matériaux naturels – qui combine une substance élastique, semblable au caoutchouc, avec de minuscules aimants intégrés. Ce nouveau matériau “élasto-magnétique” tire parti d’une propriété physique connue sous le nom de déphasage pour amplifier considérablement la quantité d’énergie que le matériau peut libérer ou absorber.
Un déphasage se produit lorsqu’un matériau passe d’un état à un autre : pensez à l’eau qui se transforme en vapeur ou au béton liquide qui durcit pour devenir un trottoir. Chaque fois qu’un matériau change de phase, de l’énergie est libérée ou absorbée. Et les déphasages ne se limitent pas aux changements entre les états liquide, solide et gazeux – un déphasage peut se produire d’une phase solide à une autre. Un changement de phase qui libère de l’énergie peut être exploité comme source d’énergie, mais obtenir suffisamment d’énergie a toujours été la partie difficile.
“Pour amplifier la libération ou l’absorption d’énergie, il faut créer une nouvelle structure au niveau moléculaire ou même atomique”, explique M. Crosby. Cependant, cela est difficile à faire et encore plus difficile à faire de manière prévisible. Mais en utilisant les métamatériaux, Crosby dit que “nous avons surmonté ces défis, et avons non seulement fabriqué de nouveaux matériaux, mais aussi développé les algorithmes de conception qui permettent à ces matériaux d’être programmés avec des réponses spécifiques, ce qui les rend prévisibles.”
L’équipe a été inspirée par certaines des réponses rapides comme l’éclair observées dans la nature.Venus flytraps and trap-jaw ants. “We’ve taken this to the next level,” says Xudong Liang, the paper’s lead author, currently a professor at Harbin Institute of Technology, Shenzhen (HITSZ) in China who completed this research while a postdoc at UMass Amherst. “By embedding tiny magnets into the elastic material, we can control the phase transitions of this metamaterial. And because the phase shift is predictable and repeatable, we can engineer the metamaterial to do exactly what we want it to do: either absorbing the energy from a large impact, or releasing great quantities of energy for explosive movement.”
Reference: “Phase-transforming metamaterial with magnetic interactions” by Xudong Liang, Hongbo Fu and Alfred J. Crosby, 4 January 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2118161119
This research, which was supported by the U.S. Army Research Laboratory and the U.S. Army Research Office as well as Harbin Institute of Technology, Shenzhen (HITSZ), has applications in any scenario where either high-force impacts or lightning-quick responses are needed.
