Des scientifiques utilisent des ondes sonores pour plier les matériaux à leur volonté

L’armure du chevalier face au défi du mouvement

Les chevaliers du Moyen Âge portaient souvent une armure particulièrement intimidante pour aller au combat. Si cette combinaison de métal pouvait être moulée avec précision selon les proportions exactes du corps de son porteur, elle présentait un inconvénient majeur. Ce matériau de protection s’avérait extrêmement rigide et impitoyable pour celui qui le revêtait.

Il existait bien des espaces au niveau des articulations pour accorder une certaine liberté d’action. Une structure métallique à taille humaine entravait cependant inévitablement le mouvement. Quel serait le sentiment d’un chevalier qui emprunterait une machine à voyager dans le temps pour atterrir à notre époque contemporaine ? Il apprécierait sans aucun doute les progrès réalisés dans le domaine des équipements de protection.

Des siècles d’efforts n’ont pourtant pas totalement résolu ce problème de mobilité entravée. Pour la grande majorité des matériaux, le niveau de rigidité ou de souplesse ne peut pas changer de manière dynamique en fonction des besoins immédiats. Ce manque d’adaptabilité pose de sérieuses difficultés pour des applications variées allant des robots mous aux implants médicaux, en passant par les prothèses et les gilets pare-balles.

Exploiter une faille dans les lois de la physique

Une équipe internationale de chercheurs vient de trouver le moyen d’exploiter une faille dans les lois de la physique pour modifier cette rigidité à volonté. La clé de cette découverte réside dans ce que la physique appelle une singularité mécanique, ou un point de transition marquant la frontière entre différents états internes qui définissent la structure même des matériaux.

De part et d’autre de cette limite, les mêmes atomes et molécules sont présents. Ils sont simplement disposés de manières différentes, ce qui engendre des structures et des qualités associées distinctes. Ces singularités, également connues sous le nom de parois de domaine, peuvent être exploitées pour forcer un matériau à changer de forme.

Les scientifiques avaient déjà tenté de manipuler ces éléments avec des ondes sonores par le passé. Le problème de ces expériences précédentes résidait dans le fait que la matière finissait par se déplacer de manière chaotique et totalement imprévisible. Lors d’une nouvelle expérience, l’équipe a cette fois réussi à contrôler les singularités en utilisant le son, en envoyant des vibrations à travers les composants d’un modèle grandeur nature créé pour se comporter comme des atomes.

Une avancée qui ne requiert aucune énergie

Les détails de cette percée technologique ont été publiés récemment dans les pages de la revue spécialisée Nature Communications. Les auteurs de l’étude ont expliqué la portée de leurs travaux avec une grande précision. « Nous […] révélons la dynamique de [l’interaction] des ondes acoustiques avec des singularités hautement discrètes, y compris un mouvement de longue durée et une famille continue de modes internes », ont déclaré les chercheurs.

Leurs observations promettent de transformer la manière dont l’industrie appréhende la matière. « Nos résultats permettent le contrôle à distance des singularités, avec des applications potentielles dans l’ajustement de la rigidité des matériaux, la modification de la forme, la locomotion et la transmission robuste de signaux », ont-ils détaillé dans leur conclusion.

Pour concrétiser cette vision, les chercheurs ont modélisé un type particulier de matériau synthétique qui élimine les barrières énergétiques. La prouesse réside dans le fait que ce système ne nécessite absolument aucune énergie pour déplacer et transformer la singularité. Cette approche novatrice contourne les limites des systèmes dynamiques traditionnels.

L’expérience des disques mobiles désalignés

Afin de mener à bien leurs observations, les scientifiques ont construit un modèle unidimensionnel complexe. Celui-ci est composé d’une série de disques mobiles conçus spécifiquement pour imiter le comportement physique des atomes. Parmi cet ensemble d’éléments rigoureusement alignés, un disque précis a été désigné pour jouer le rôle de la singularité mécanique.

L’équipe de recherche a mis en place un repère visuel strict. Chaque disque a été marqué d’un point vert destiné à mettre en évidence son orientation dans l’espace. Le disque agissant comme la singularité a subi une rotation délibérée de la part des ingénieurs. De ce fait, son point vert ne s’alignait pas avec le reste de la structure.

Cette configuration conférait à cet élément spécifique l’amplitude de mouvement la plus faible de tout l’assemblage. Les mesures ont révélé que cette capacité de déplacement diminuait progressivement avec chaque disque en allant du bas vers le haut du modèle, imposant une résistance croissante à l’ensemble du système.

Inverser la mobilité grâce aux ondes

La phase active de l’expérience, visible dans une vidéo documentant les recherches, a consisté à propager des ondes acoustiques pulsées dans le modèle depuis l’un des côtés. Grâce à cette impulsion sonore, l’équipe est parvenue à tirer la singularité vers le haut. Ce déplacement a immédiatement augmenté l’amplitude de mouvement dans les disques situés en dessous, à mesure que les ondes se propageaient vers le sommet.

La mobilité à travers l’ensemble du modèle s’est retrouvée totalement inversée lorsque la singularité est passée du disque inférieur au disque supérieur. Avant d’être affectée par les ondes sonores, la structure était plus « douce » en haut et plus « rigide » en bas. Une fois les pulsations acoustiques diffusées à travers le système, l’état physique a basculé : le modèle est devenu plus « rigide » au sommet et plus « doux » à la base.

Les futures recherches viseront à construire ce système à des échelles plus petites et à créer des modèles bidimensionnels et tridimensionnels. Utiliser le son pour reprogrammer les matériaux pourrait s’avérer révolutionnaire pour les robots mous, les prothèses, les implants et les gilets pare-balles. Quelque part, le fantôme d’un chevalier regrette certainement qu’il n’y ait pas eu de telles avancées technologiques à l’époque où la seule option consistait à s’équiper de métal sans aucun mode flexible.

Selon la source : popularmechanics.com