Les métamatériaux à frustration intégrée ont une mémoire mécanique

Le résultat est une percée dans le domaine des métamatériaux : des matériaux design dont les réponses sont déterminées par leur structure plutôt que par leur composition chimique. Pour construire un métamatériau à mémoire mécanique, les physiciens Xiaofei Guo, Marcelo Guzmán, David Carpentier, Denis Bartolo et Corentin Coulais ont réalisé que sa conception devait être « frustrée », et que cette frustration correspond à un nouveau type d’ordre, qu’ils appellent non -ordre orientable.

Physique avec une torsion

Un exemple simple d’objet non orientable est une bande de Möbius, réalisée en prenant une bande de matériau, en lui ajoutant une demi-torsion, puis en collant ses extrémités ensemble. Vous pouvez essayer cela à la maison avec une bande de papier. En suivant la surface d’une bande de Möbius avec votre doigt, vous constaterez que lorsque vous reviendrez à votre point de départ, votre doigt sera de l’autre côté du papier.

Une bande de Möbius n’est pas orientable car il n’y a aucun moyen d’étiqueter les deux côtés de la bande de manière cohérente; la torsion rend toute la surface une seule et même. Cela contraste avec un simple cylindre (une bande sans aucune torsion dont les extrémités sont collées ensemble), qui a une surface intérieure et extérieure distincte.

Guo et ses collègues ont réalisé que cette non-orientabilité affecte fortement la façon dont un objet ou un métamatériau réagit lorsqu’il est poussé ou pressé. Si vous placez un simple cylindre et une bande de Möbius sur une surface plane et que vous appuyez dessus par le haut, vous constaterez que les côtés du cylindre seront tous renflés (ou rentrés), tandis que les côtés de la bande de Möbius ne peuvent pas faire le même. Au contraire, la non-orientabilité de ce dernier garantit qu’il existe toujours un point le long de la bande où il ne se déforme pas sous la pression.

La frustration n’est pas toujours une mauvaise chose

Fait intéressant, ce comportement s’étend bien au-delà des bandes de Möbius. «Nous avons découvert que le comportement d’objets non orientables tels que les bandes de Möbius nous permet de décrire n’importe quel matériau globalement frustré. Ces matériaux veulent naturellement être ordonnés, mais quelque chose dans leur structure interdit à l’ordre de couvrir tout le système et force le motif ordonné à disparaître en un point ou une ligne dans l’espace. Il n’y a aucun moyen de se débarrasser de ce point de fuite sans couper la structure, il doit donc être là quoi qu’il arrive», explique Coulais, qui dirige le laboratoire des matériaux de machine à l’université d’Amsterdam.

L’équipe de recherche a conçu et imprimé en 3D ses propres structures de métamatériaux mécaniques qui présentent le même comportement frustré et non orientable que les bandes de Möbius. Leurs conceptions sont basées sur des anneaux de carrés reliés par des charnières à leurs coins. Lorsque ces anneaux sont pressés, les carrés voisins tournent dans des directions opposées afin que leurs bords se rapprochent. La rotation opposée des voisins rend la réponse du système analogue à l’ordre anti-ferromagnétique qui se produit dans certains matériaux magnétiques.

Les anneaux composés d’un nombre impair de carrés sont frustrés, car il n’y a aucun moyen pour tous les carrés voisins de tourner dans des directions opposées. Les anneaux impairs comprimés présentent donc un ordre non orientable, dans lequel l’angle de rotation en un point le long de l’anneau doit aller à zéro.

Le fait d’être une caractéristique de la forme générale du matériau en fait une propriété topologique robuste. En connectant plusieurs métarings ensemble, il est même possible d’émuler la mécanique de structures topologiques de dimension supérieure telles que la bouteille de Klein.

Mémoire mécanique

Avoir un point ou une ligne forcée de déformation nulle est essentiel pour doter les matériaux d’une mémoire mécanique. Au lieu de presser un anneau de métamatériau de tous les côtés, vous pouvez appuyer sur l’anneau à des points distincts. Ce faisant, l’ordre dans lequel vous appuyez sur différents points détermine où se termine le point ou la ligne de déformation zéro.

Il s’agit d’une forme de stockage d’informations. Il peut même être utilisé pour exécuter certains types de portes logiques, base de tout algorithme informatique. Un simple anneau de métamatériau peut ainsi fonctionner comme un calculateur mécanique.

Au-delà de la mécanique, les résultats de l’étude suggèrent que la non-orientabilité pourrait être un principe de conception robuste pour les métamatériaux capables de stocker efficacement des informations à différentes échelles, dans des domaines aussi divers que la science colloïdale, la photonique, le magnétisme et la physique atomique. Cela pourrait même être utile pour de nouveaux types d’ordinateurs quantiques.

Coulais conclut : « Ensuite, nous voulons exploiter la robustesse des déformations évanescentes pour la robotique. Nous pensons que les déformations évanescentes pourraient être utilisées pour créer des bras et des roues robotiques avec des mécanismes de flexion et de locomotion prévisibles.