High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water
Cet article présente une nouvelle conception de métamatériau tridimensionnel inspirée par la cinématique des cordes, qui atteint des propriétés acoustiques indiscernables de celles de l'eau, réalisant ainsi l'objectif tant recherché de l'« eau métallique » dotée d'un module de compressibilité élevé et d'un module de cisaillement faible.
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Le son se déplace dans l'eau d'une manière qui diffère de la façon dont il se déplace dans les solides. Dans un liquide comme l'eau, le matériau résiste à l'écrasement mais n'offre presque aucune résistance au cisaillement ou au glissement latéral ; il s'écoule facilement. Dans un métal solide, le matériau résiste aux deux. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de construire des structures artificielles qui imitent le comportement des liquides mais qui sont faites de matériaux solides. Ces structures, connues sous le nom de métamatériaux, sont conçues avec de minuscules motifs répétitifs qui leur confèrent des propriétés absentes dans la nature. L'objectif a longtemps été de créer un solide qui agit exactement comme l'eau lorsque les ondes sonores le traversent — un matériau suffisamment rigide pour maintenir sa forme, mais suffisamment souple pour laisser passer le son comme s'il s'agissait d'un liquide. Cela est particulièrement important pour la technologie sous-marine, où le contrôle du son est essentiel pour la communication et la navigation.
Le défi réside dans une contradiction physique. Pour agir comme l'eau, un matériau doit être très difficile à comprimer (haut module de compressibilité) mais très facile à faire glisser (bas module de cisaillement). La plupart des conceptions de solides existantes qui tentent d'imiter l'eau échouent car elles sont soit trop molles pour être utiles, soit trop rigides pour laisser passer le son correctement. Elles sont souvent loin des propriétés acoustiques de l'eau réelle par une marge significative, ce qui en fait de piètres substituts à la chose réelle. Les chercheurs travaillent sur ce problème depuis des années, essayant de trouver une forme géométrique pour les minuscules blocs de construction de ces matériaux qui pourrait résoudre cet équilibre.
Une équipe de chercheurs du Politecnico di Milano a maintenant proposé une solution qu'ils décrivent comme le premier métamatériau qui mérite pleinement le nom de « eau métallique 3D ». Ils ont conçu une structure tridimensionnelle faite de métal qui, dans le régime des basses fréquences, se comporte acoustiquement d'une manière indiscernable de celle de l'eau. La clé de leur succès fut de réaliser que les formes utilisées précédemment pour construire ces matériaux étaient fondamentalement limitées. Pendant des années, la conception standard reposait sur des liaisons en forme de doubles cônes — deux cônes joints par leurs extrémités étroites. Bien que ces formes fonctionnent bien dans des modèles bidimensionnels, les chercheurs ont découvert qu'en trois dimensions, ils ne pouvaient pas atteindre la rigidité nécessaire sans devenir trop lourds ou trop rigides. Les pointes fines nécessaires pour rendre le matériau flexible le rendaient également trop faible pour résister à la compression, l'empêchant ainsi de correspondre à la densité et à la vitesse du son de l'eau.
Pour surmonter cela, l'équipe a abandonné la forme de double cône et s'est tournée vers un autre type de comportement mécanique : la façon dont les cordes fonctionnent. Ils ont proposé un nouveau design où les liens de connexion dans la structure ne sont pas des tiges solides uniques, mais des faisceaux de nombreuses fibres parallèles et fines. Dans une corde, les fibres individuelles peuvent glisser les unes contre les autres lorsque la corde est pliée, ce qui rend l'ensemble du faisceau très flexible face aux forces de flexion. Cependant, lorsqu'on tire la corde pour la tendre, toutes les fibres travaillent ensemble pour résister à la traction, ce qui la rend très forte. En appliquant ce principe à leur réseau métallique, les chercheurs ont créé des liaisons qui sont incroyablement rigides face à la compression mais presque totalement libres de glisser latéralement. Cette combinaison spécifique permet au matériau de maintenir la haute résistance à la compression nécessaire pour correspondre à l'eau, tout en gardant la résistance au glissement si basse que le matériau se comporte comme un fluide.
Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques pour tester ce nouveau design, confirmant qu'il pouvait atteindre un module de compressibilité deux ordres de grandeur supérieur aux tentatives précédentes, atteignant enfin le niveau de l'eau réelle dans le régime des basses fréquences. Ils ont également constaté que la structure crée un écart spécifique dans la gestion de certains types de vibrations, bloquant efficacement les ondes de cisaillement tout en laissant passer les ondes de pression. Cela signifie que le son voyage à travers leur structure métallique tout comme il le fait dans l'eau, sans les distorsions indésirables qui surviennent habituellement dans les matériaux solides. Bien que le design soit actuellement un modèle théorique et une simulation informatique, les résultats suggèrent qu'il est possible de fabriquer un solide qui agit véritablement comme un liquide. Cette percée ouvre la voie à la création de dispositifs acoustiques avancés, tels que des lentilles ou des capes, capables de manipuler les ondes sonores en trois dimensions avec une précision qui était auparavant impossible.
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