Les métamatériaux acoustiques, qui sont des matériaux spécialement conçus avec des géométries adaptées pour contrôler la propagation des ondes acoustiques ou élastiques, ont été largement étudiés à travers des méthodes informatiques et théoriques. Jusqu’à présent, les réalisations physiques de ces matériaux étaient limitées à de grandes tailles et à des basses fréquences.
« La multifonctionnalité des métamatériaux – légers, résistants et dotés de propriétés acoustiques ajustables – en fait des candidats idéaux pour des applications d’ingénierie dans des environnements extrêmes », explique Carlos Portela, titulaire de la chaire de développement de carrière Robert N. Noyce et professeur adjoint de génie mécanique au MIT. « Cependant, les défis liés à la miniaturisation et à la caractérisation des métamatériaux acoustiques à hautes fréquences ont freiné les avancées vers la création de matériaux avancés capables de contrôler les ondes ultrasonores. »
Une nouvelle étude co-écrite par Portela, Rachel Sun, Jet Lem, et Yun Kai du Département de génie mécanique du MIT (MechE), ainsi que Washington DeLima du campus de sécurité nationale de Kansas City du département américain de l’Énergie, propose un cadre de conception pour contrôler la propagation des ondes ultrasonores dans les métamatériaux acoustiques microscopiques. Un article sur cette recherche, « Propagation sur mesure des ultrasons dans les métamatériaux à l’échelle microscopique via la conception par inertie« , a récemment été publié dans la revue Avancées scientifiques.
« Notre travail propose un cadre de conception basé sur le positionnement précis de sphères micrométriques pour ajuster la façon dont les ondes ultrasonores se propagent à travers les métamatériaux 3D micrométriques », explique Portela. « Nous examinons spécifiquement comment le placement de masses sphériques microscopiques dans un réseau métamatériau influence la vitesse des ondes ultrasonores, menant à des réponses de guidage ou de focalisation des ondes. »
Grâce à une caractérisation laser-ultrasonique non destructive à haut débit, l’équipe démontre expérimentalement des vitesses d’ondes élastiques ajustables dans des matériaux à l’échelle microscopique. Ils utilisent les différentes vitesses des ondes pour ajuster spatialement et temporellement la propagation des ondes dans ces matériaux, démontrant également un démultiplexeur acoustique, un dispositif qui sépare un signal acoustique en plusieurs signaux de sortie. Ces travaux ouvrent la voie à des dispositifs et composants à micro-échelle qui pourraient être utiles pour l’imagerie échographique ou la transmission d’informations par ultrasons.
« En utilisant de simples changements géométriques, ce cadre de conception élargit l’espace des propriétés dynamiques ajustables des métamatériaux, permettant une conception et une fabrication simples de métamatériaux et de dispositifs acoustiques à l’échelle microscopique », explique Portela.
La recherche fait également progresser les capacités expérimentales, y compris la fabrication et la caractérisation, des métamatériaux acoustiques à l’échelle microscopique vers une application dans les domaines médicaux de l’échographie et du calcul mécanique. Elle met en lumière la mécanique sous-jacente de la propagation des ondes ultrasonores dans les métamatériaux, ajustant les propriétés dynamiques via de simples modifications géométriques et décrivant ces changements en fonction des variations de masse et de rigidité. Plus important encore, le cadre se prête à d’autres techniques de fabrication au-delà de l’échelle micrométrique, nécessitant seulement un matériau constitutif unique et une géométrie 3D de base pour atteindre des propriétés largement ajustables.
« La beauté de ce cadre réside dans le lien fondamental qu’il établit entre les propriétés physiques des matériaux et leurs caractéristiques géométriques. En plaçant des masses sphériques sur un échafaudage en treillis semblable à un ressort, nous avons pu créer des analogies directes sur la façon dont la masse affecte la rigidité quasi-statique et la vitesse dynamique des vagues », explique Sun, premier auteur de l’étude. « J’ai réalisé que nous pouvions obtenir des centaines de conceptions différentes et les propriétés de matériaux correspondantes, que nous les faisions vibrer ou les comprimions lentement. »
