Des ondes acoustiques pour contrôler la rigidité des matériaux

Une équipe internationale réunissant des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego, de l’Université du Michigan et du Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Mans (CNRS) a démontré une nouvelle stratégie de contrôle à distance du comportement mécanique d’un matériau par ondes acoustiques. Publiés dans Nature Communications, ces travaux montrent qu’il est possible de déplacer de manière contrôlée des défauts topologiques mécaniques (mechanical kinks).

Les kinks correspondent à des frontières entre deux configurations stables d’un matériau. Bien que constituées des mêmes éléments, les deux régions qu’ils séparent diffèrent par l’orientation de leur architecture interne, ce qui entraîne des propriétés mécaniques distinctes. Dans les matériaux réels, ces défauts localisés jouent un rôle essentiel dans les mécanismes de déformation, mais leur déplacement reste généralement limité par des barrières énergétiques qui les maintiennent piégés.

Si plusieurs travaux avaient déjà montré que des ondes acoustiques pouvaient mettre ces défauts en mouvement, ce dernier demeurait jusqu’ici peu prévisible. En collaboration avec Xiaoming Mao (Université du Michigan) et Georgios Theocharis (CNRS, Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Mans), Nicholas Boechler et leurs collaborateurs ont conçu un métamatériau mécanique dont le comportement est déterminé par son architecture plutôt que par sa composition. Cette conception confère au système une propriété remarquable : le déplacement du kink ne nécessite pratiquement aucune énergie, supprimant ainsi les barrières qui limitaient son contrôle.

Dans ce métamatériau, la position du kink détermine directement la distribution de rigidité de la structure. Lorsque le défaut est situé à une extrémité, cette région demeure souple tandis que la rigidité augmente progressivement vers l’autre extrémité. Déplacé au centre, il crée une zone de faible rigidité encadrée par deux régions plus rigides. Cette reconfiguration peut être pilotée à distance grâce à des impulsions acoustiques appliquées à des fréquences spécifiques.

Les auteurs ont validé expérimentalement ce principe à l’aide d’un modèle constitué d’une chaîne de disques rotatifs reliés par des ressorts, chaque disque représentant un atome et un disque inversé matérialisant le kink. Des impulsions acoustiques successives déplacent progressivement ce défaut vers la source sonore, tandis qu’une excitation prolongée permet de le faire parcourir l’ensemble de la chaîne, inversant ainsi le profil de rigidité du système. Les simulations numériques montrent également que l’interaction entre l’onde et le kink permet un transfert de quantité de mouvement suffisant pour maintenir sa propagation, même lorsqu’une partie de l’onde est réfléchie.

Au-delà de cette démonstration de preuve de concept, ces résultats ouvrent des perspectives pour le développement de matériaux à rigidité ajustable, de structures reconfigurables, de systèmes de transmission d’information robustes ou encore d’actionneurs inspirés de la robotique souple. Les prochaines étapes consisteront à étendre cette approche à des architectures tridimensionnelles et à explorer la possibilité d’observer des phénomènes analogues à des échelles encore plus fines.

Cette recherche, publiée dans Nature Communications, a bénéficié du soutien de l’U.S. Army Research Office et de l’U.S. Office of Naval Research. Le Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Mans, impliqué dans cette collaboration internationale, mène ses recherches sous la tutelle du Centre national de la recherche scientifique (CNRS).
L’article complet est accessible via : Observation of mechanical kink control and generation via acoustic waves | Nature Communications