S’inspirant des réseaux présents dans la nature, les ingénieurs conçoivent des « métamatériaux » plus résistants et plus durables.

Légende: Des chercheurs ont utilisé des méthodes d'impression 3D pour déposer du polymère selon des motifs de minuscules poutres interconnectées. Chaque échantillon obtenu était un grand carré, de la taille d'une carte de crédit environ, avec des poutres internes dont la taille variait du micron au centimètre. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Cette nouvelle approche de conception pourrait améliorer l'absorption des chocs pour les casques, les emballages et les blindages.

L'ordre a longtemps été la règle dans la conception des « métamatériaux » synthétiques, qui possèdent des structures internes conférant à l'ensemble du matériau des propriétés exceptionnelles que l'on ne trouve pas dans la nature.

Lorsqu'ils conçoivent un métamatériau, les scientifiques partent d'un élément de base unique, ou « cellule unitaire », qu'ils dupliquent à l'infini. Il en résulte une microstructure précise et périodique qui améliore les performances du matériau. 

Une équipe du MIT et de l'Université Northeastern a découvert qu'introduire un peu de désordre dans un matériau pouvait encore améliorer ses caractéristiques « méta ». 

Dans une étude en libre accès publiée aujourd'hui dans la revue Nature , des chercheurs présentent une nouvelle méthode de conception de métamatériaux, inspirée des réseaux présents dans le système vasculaire d'une feuille, les nervures des ailes d'une libellule et les connexions virtuelles d'un réseau social. Ces nouveaux métamatériaux, appelés « métamatériaux à grande échelle », présentent des structures de tailles variables qui s'étendent et se connectent pour former un réseau physique.

Depuis des décennies, les réseaux servent de modèles théoriques pour décrire des phénomènes aussi divers que les villes, Internet ou encore les connexions entre les neurones. Cette équipe a désormais appliqué ces concepts de réseaux à des matériaux physiques. Elle a conçu des métamatériaux non pas constitués de cellules unitaires répétitives, mais de minuscules poutres de support de tailles variables, à l'image des motifs denses et entrelacés d'un réseau. 

Soumis à des tests physiques, ces nouveaux matériaux ont démontré une rigidité très facilement contrôlable et une meilleure résistance aux chocs que les métamatériaux ordonnés classiques. Ils ont également permis d'amortir et de protéger des objets fragiles intégrés à leur structure.

L'équipe a conçu ses matériaux à l'aide d'un algorithme qui génère un réseau optimal de microstructures pour obtenir la propriété matérielle souhaitée. Ce procédé peut servir à concevoir des matériaux résistants et absorbant les chocs, comme les casques et les gilets pare-balles, ainsi que des lentilles acoustiques – des matériaux dont la microstructure concentre efficacement le son ou les vibrations.

« Il s’agit d’une approche totalement inédite des métamatériaux », explique Carlos Portela, professeur associé de génie mécanique au MIT et auteur de l’étude. « La mise au point de cette structure de réseau pour les matériaux nous ouvre la voie à de nouvelles microstructures et à des avantages mécaniques jusqu’alors impossibles. » 

Parmi les co-auteurs de l'étude au MIT figurent Andrew Yen-Jong Chen, Mohammad Charara et Jayna Wadhwa, ainsi que Csaba Both, Ting-Ting Gao et Albert-László Barabási de l'Université Northeastern, et Niek Mooij de l'Université d'Utrecht aux Pays-Bas.

Au-delà de l'ordre

La science des réseaux est un domaine de recherche qui étudie les réseaux complexes, leurs nœuds et connexions, ainsi que la manière dont ces éléments interagissent entre eux et avec le réseau dans son ensemble. Elle a permis de cartographier et de caractériser une vaste gamme de systèmes, allant des réseaux naturels, tels que les réseaux trophiques, les arbres phylogénétiques et les connexions neuronales, aux marchés financiers, aux réseaux cellulaires et sociaux, et à Internet. 

Albert-László Barabási, co-auteur de cette nouvelle étude, est un chercheur de premier plan en sciences des réseaux. Professeur de physique à l'Université Northeastern, il explore la structure des réseaux complexes dans de nombreuses disciplines, étudiant leurs vulnérabilités et les moyens de les rendre plus robustes.

L'essentiel des travaux de Barabási porte sur les réseaux conceptuels, c'est-à-dire les réseaux transposés sur des systèmes existants. Récemment, il s'est interrogé : la science des réseaux pourrait-elle être appliquée à la conception d'un matériau physique doté de propriétés spécifiques impossibles à obtenir dans la nature ? 

Pour cela, Barabási s'est associé à Portela, dont l'équipe au MIT est spécialisée dans les métamatériaux. Les chercheurs conçoivent des matériaux à partir de zéro, avec des microstructures précisément agencées qui améliorent leurs performances globales. À l'instar d'autres chercheurs dans ce domaine, Portela a élaboré des métamatériaux à partir d'une seule cellule unitaire, en répétant cet élément de base selon des motifs tels que des structures en réseau carré et des architectures en nid d'abeille.

Portela a constaté que, dans de nombreux cas, ces motifs ordonnés améliorent effectivement la résistance et la résilience d'un matériau. Cependant, si ces matériaux sont perforés ou fissurés, le reste se déforme et cède rapidement. Il explique cela par le fait que la structure interne est identique : si une zone du matériau est déformée, les cellules unitaires environnantes, similaires, réagissent et se déforment de la même manière.

« Nous avons passé des années à étudier les microstructures périodiques et ordonnées, et nous avons constaté de nombreuses limitations et des réponses non idéales, comme cet effet de localisation », explique Portela. « Nous voulions nous affranchir de cette idée et utiliser la science des réseaux pour concevoir ces matériaux. »

Ligne par ligne

L'équipe a mis au point un algorithme permettant de générer virtuellement un réseau de faisceaux en tenant compte des contraintes d'un matériau physique. Jusqu'à présent, l'application des sciences des réseaux à des systèmes comme Internet dispensait les chercheurs de prendre en considération les contraintes physiques, telles que la limitation du nombre, de la densité ou de l'intersection des connexions. Dans un matériau physique, le nombre et l'épaisseur des faisceaux, ainsi que l'espace qui les sépare, deviennent des paramètres importants. 

Pour concevoir un réseau physique, l'algorithme de l'équipe commence par dessiner un point à des coordonnées aléatoires dans un domaine représentant la taille du matériau final. Le programme trace ensuite une ligne selon un angle aléatoire, passant par ce point et traversant tout l'espace. Il répète alors le processus avec un second point, à de secondes coordonnées aléatoires, et une ligne tracée à travers ce point selon un autre angle aléatoire, jusqu'à ce que cette seconde ligne atteigne une limite, soit celle du domaine entier, soit celle de la première ligne tracée. Le processus se répète ensuite indéfiniment, en traçant des lignes de plus en plus courtes et fines. Le matériau résultant représente un réseau dense de faisceaux entrecroisés de tailles très variées. 

L'équipe a mis au point un algorithme permettant de générer virtuellement un réseau de poutres en respectant les contraintes d'un matériau physique. Ici, ce réseau de poutres forme le logo du MIT.

Les scientifiques peuvent moduler le type de réseau généré par le programme en faisant varier l'épaisseur du trait initial et la vitesse à laquelle cette épaisseur diminue à chaque trait successif. En ajustant simplement ces deux paramètres, l'équipe a constaté qu'elle pouvait générer une vaste gamme de réseaux. Elle a ensuite réalisé des simulations pour prédire comment la modification de l'un ou de l'autre, voire des deux, à différents degrés, influencerait la rigidité et d'autres propriétés physiques d'un matériau. 

« Nous constatons que nous pouvons vraiment ajuster la rigidité d'un matériau simplement en modifiant ces deux paramètres, qui déterminent la façon dont ces motifs de réseau sont générés », explique Portela. 

L'équipe a ensuite fabriqué des matériaux physiques dotés de microstructures reproduisant les réseaux qu'elle avait générés virtuellement. Elle a utilisé l'impression 3D pour déposer du polymère selon des motifs de minuscules poutres interconnectées. Chaque échantillon obtenu était un grand carré, de la taille d'une carte de crédit environ, avec des poutres internes dont la taille variait du micron au centimètre. 

Ils ont soumis les échantillons à divers tests physiques, comme la chute d'un poids important et la compression à force croissante. Ils ont enregistré la réponse des matériaux, ainsi que celle d'échantillons de métamatériaux conventionnels à structure réticulaire et alvéolaire. Ils ont constaté que les échantillons inspirés des réseaux étaient plus résistants à la compression et aux impacts. 

« Grâce à la grande diversité d'échelles de longueur présentes dans ces matériaux interconnectés, si un élément cède, un réseau dense de structures l'entoure et empêche la rupture catastrophique de l'ensemble du matériau », explique Portela. « Ce système est plus efficace pour répartir les dommages et absorber l'énergie. »

À titre d'exemple, les chercheurs ont conçu un matériau inspiré de la microstructure à gradient de densité de l'écorce épaisse du pomelo. Ils ont conçu ce matériau avec des bords constitués d'un réseau plus dense de poutres et ont démontré qu'il pouvait amortir et protéger un objet fragile enchâssé au centre du réseau.

« Ces travaux offrent un cadre de conception pour des matériaux dont les propriétés varient considérablement », explique Tian « Tim » Chen, expert en matériaux et professeur associé au département d'aéronautique de l'Imperial College de Londres, qui n'a pas participé à l'étude. « Cela pourrait mener à une nouvelle génération de matériaux aux propriétés physiques inédites, pour toute structure devant supporter une charge, absorber de l'énergie ou contrôler les vibrations. »

https://news.mit.edu/2026/engineers-design-stronger-resilient-nature-inspired-metamaterials-1111