Dimensions inexplorées des métamatériaux poreux

Crédit : Pixabay / CC0 Domaine public

En ce qui concerne les métamatériaux poreux – des matériaux omniprésents de type éponge utilisés dans tout, de l’absorption acoustique au verre autonettoyant – tout dépend de la façon dont vous le coupez.

Dans un nouvel article de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et de la Harvard Graduate School of Design (GSD), les chercheurs ont découvert que couper un bloc d’élastomère avec un réseau périodique de trous à 45 degrés l’angle, au lieu de la coupe droite typique à 90 degrés, a changé le comportement du matériau, lui donnant de nouvelles propriétés et ouvrant une gamme de nouvelles applications pour ce groupe de matériaux longuement étudié.

“Les métamatériaux poreux ont été étudiés en profondeur et sont bien compris depuis de très nombreuses années, mais nous avons montré qu’il existe encore de nouvelles voies surprenantes à explorer”, a déclaré Katia Bertoldi, professeur de mécanique appliquée William et Ami Kuan Danoff à SEAS et auteur principal de l’étude.

La recherche est publiée dans Lettres mécaniques extrêmes.

Des études antérieures, y compris celles réalisées au laboratoire Bertoldi, ont démontré que lorsque des métamatériaux poreux avec un réseau carré de trous ou de canaux sont comprimés, les ligaments en forme de faisceau séparant les pores se déforment et conduisent à une transformation soudaine des trous circulaires en ellipses. Ce changement morphologique réversible a été exploité pour construire des structures aux propriétés mécaniques inhabituelles qui peuvent être utilisées comme commutateurs photoniques et phononiques, écrans couleur et robots mous capables de saisir et de marcher.

Ces transformations ont toujours été étudiées dans le plan, ce qui signifie que la surface du matériau est restée plate pendant tout le processus d’actionnement.

Mais en coupant simplement cette géométrie périodique à un angle, les chercheurs de Harvard ont découvert comment permettre des transformations hors du plan, ou en trois dimensions, dans le matériau. Après avoir coupé le matériau à un angle de 45 degrés, l’équipe a recouvert les deux côtés du matériau d’un mince film élastique et a fixé une pompe à air. Lorsque tout l’air est évacué du matériau, les ligaments séparant les pores se recourbent vers l’extérieur, provoquant l’apparition de stries à la surface du matériau. Lorsque l’air est réinjecté, les crêtes disparaissent lorsque la surface redevient plate.







Ce robot ressemblant à un ver qui avance en modifiant la friction entre chaque segment de son corps et le sol. Crédit : Laboratoire Bertoldi / Harvard SEAS

“Ces types de transformations géométriques n’ont pas été explorés auparavant dans cette classe de matériaux car personne n’a pensé à les couper de cette manière”, a déclaré Matheus C. Fernandes, ancien étudiant diplômé de SEAS et de la Harvard Graduate School of Arts and Sciences et co-premier auteur de l’article.

Ce changement de morphologie de surface peut être exploité pour modifier le frottement entre le matériau et une surface sous-jacente. Pour démontrer cet effet, dans une expérience, l’équipe a attaché de petites sphères acryliques à la surface du bloc poreux. À une pression atmosphérique normale, les sphères restaient en contact avec la surface sous-jacente, agissant comme des roues lorsque le bloc glissait sur une rampe. Lorsque l’air a été évacué, les sphères ont été tirées dans le matériau lorsque les arêtes de friction supérieures se sont déformées et le bloc est resté en place. Les chercheurs ont également démontré le schéma inverse, en attachant des ailettes en forme de patin qui augmentaient la friction lorsque le bloc était complètement gonflé et permettaient au bloc de patiner sur la surface lorsque l’air était évacué.

À l’aide de ces deux configurations, les chercheurs ont construit un robot semblable à un ver qui avance petit à petit en modifiant la friction entre chaque segment de son corps et le sol.

Dans une autre expérience, l’équipe a recouvert le bloc d’une peinture réfléchissante et a démontré que la diffusion de la lumière à partir de la surface du bloc pouvait être modifiée lorsque la surface changeait de topologie.

“Ce changement dans la troisième dimension ouvre de nombreuses possibilités pour différentes applications”, a déclaré Saurabh Mhatre, associé de recherche principal à GSD et co-premier auteur de l’article. “Il peut changer la façon dont la lumière est réfléchie, la façon dont le fluide s’écoule et la façon dont le son est absorbé et réfléchi. Il pourrait même être utilisé sur la semelle des baskets pour modifier les niveaux de traction pendant la marche ou la course.”

“Ce matériau est intrinsèquement multifonctionnel, ce qui le rend encore plus applicable aux appareils et applications du monde réel, car vous n’avez pas besoin d’ajouter de composants supplémentaires au système pour obtenir ces différents comportements, ce qui simplifie considérablement le processus de conception et de fabrication”, a déclaré James. Weaver, scientifique principal chez SEAS et co-auteur de l’article.

« Ce projet est une nouvelle réussite dans la collaboration de près de plusieurs décennies entre les chercheurs de SEAS et de la GSD », a déclaré Martin Bechthold, professeur Kumagai de technologie architecturale à la GSD, codirecteur du Master in Design Engineering Program à Harvard. et co-auteur de l’étude. “Nous continuerons à briser les barrières traditionnelles entre la science et la conception dans la recherche de solutions innovantes qui ne surgissent que par une réflexion originale et la capacité d’imaginer et de construire dans un cycle rapide et itératif.”


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Plus d’information:
Matheus C. Fernandes et al, Modulation de la texture de surface via le flambement dans les métamatériaux mécaniques poreux inclinés, Lettres mécaniques extrêmes (2021). DOI : 10.1016 / j.eml.2021.101549

Fourni par Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Citation: Dimensions inexplorées des métamatériaux poreux (18 mars 2022) récupéré le 19 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-unexplored-dimensions-porous-metamaterials.html

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