Caractériser les propriétés des métamatériaux par flash laser
Extraordinairement résistants et légers, les métamatériaux pourraient à terme remplacer nombre de matériaux traditionnels. Leur fabrication engendre cependant de multiples défis. Un physicien rennais, de l'Institut de physique de Rennes (CNRS/Université de Rennes), et ses collègues américains ont mis au point une méthode de caractérisation rapide, fiable et non intrusive de ces métamatériaux, reposant sur l'utilisation d'un flash laser. Publication dans Nature (15 nov. 2023).
Une alternative aux matériaux traditionnels
L’émergence récente des métamatériaux mécaniques a bouleversé l’ingénierie et la science des matériaux. Leurs propriétés mécaniques extraordinaires, alliant haute résistance mécanique et densité extrêmement faible (les métamatériaux sont composés à 80-90% d’air), ouvrent une infinité de possibilités dans diverses applications mécaniques, en remplacement des matériaux traditionnels.
Jusqu'à présent, l'étude des métamatériaux mécaniques reposait principalement sur des méthodes de contact, telles la nano-indentation, qui fournit des informations précieuses sur leurs propriétés mécaniques statiques comme la rigidité et la résistance mécanique. Cependant, ces techniques exigent une préparation minutieuse et laborieuse des échantillons, et une expertise pointue pour l’analyse des tests, ralentissant ainsi les progrès dans ce domaine prometteur.
Une approche non-intrusive grâce au flash laser
En réponse à ce défi, Thomas Pezeril, chercheur CNRS à l'Institut de physique de Rennes (Université de Rennes/CNRS) et des collègues américains du MIT (États-Unis) ont mis au point une méthode de caractérisation optique permettant d’extraire rapidement et de manière fiable les constantes élastiques dynamiques de métamatériaux à l’échelle micrométrique.
L'innovation-clé réside dans l'utilisation d'un flash laser, afin d’exciter les fréquences de vibrations des microstructures 3D, couplé à une méthode de détection optique de ces vibrations. In fine, les chercheurs obtiennent en un temps record une échographie des propriétés élastiques effectives des métamatériaux étudiés. Les données obtenues de la sorte donnent accès au spectre mécanique à des fréquences mégahertz, incluant la rigidité et l’atténuation ultrasonore des matériaux micro-architecturés.
Cette approche sans contact, non-intrusive, est révolutionnaire dans le domaine des métamatériaux. Pour valider cette technique de rupture, diverses architectures micrométriques 3D avec différentes orientations cristallographiques ont été imprimées et testées, donnant accès à une vue complète de leurs surfaces élastiques dynamiques, pour toutes les orientations de l’espace. De plus, les chercheurs ont démontré que la technique pouvait également identifier des défauts au sein de ces microstructures via la signature de leurs réponses dynamiques.