Des matériaux flexibles pourraient fournir des moyens de manipuler le son et la lumière

Des matériaux flexibles en couches texturés avec des rides à l'échelle nanométrique pourraient fournir une nouvelle façon de contrôler les longueurs d'onde et la distribution des ondes, qu'elles soient sonores ou lumineuses. La nouvelle méthode, développée par des chercheurs du MIT, pourrait éventuellement trouver des applications allant des tests non destructifs de matériaux à la suppression du son, et pourrait également fournir de nouvelles informations sur les systèmes biologiques mous et éventuellement conduire à de nouveaux outils de diagnostic.

Les résultats sont décrits dans un article publié cette semaine dans la revue P Lettres d'examen hysical , écrit par le postdoctorant du MIT Stephan Rudykh et Mary Boyce, un ancien professeur de génie mécanique au MIT qui est maintenant doyen de la Fu Foundation School of Engineering and Applied Science de l'Université de Columbia.

Dans la paire d'images du haut, les ondes sonores (bandes bleues et jaunes) traversant un matériau en couches plates ne sont que très peu affectées. Dans les images inférieures, lorsque le son traverse un matériau en couches froissé, certaines fréquences sonores sont bloquées et filtrées par le matériau. Photo avec l'aimable autorisation de Felice Frankel

Bien que les propriétés des matériaux soient connues pour affecter la propagation de la lumière et du son, dans la plupart des cas, ces propriétés sont fixes lorsque le matériau est fabriqué ou cultivé, et sont difficiles à modifier par la suite. Mais dans ces matériaux en couches, modifier les propriétés - par exemple, ajuster un matériau pour filtrer des couleurs de lumière spécifiques - peut être aussi simple que d'étirer le matériau flexible.

Ces effets sont hautement réglables, réversibles et contrôlables, dit Rudykh. Par exemple, nous pourrions changer la couleur du matériau, ou potentiellement le rendre optiquement ou acoustiquement invisible.

Les matériaux peuvent être fabriqués grâce à un processus de dépôt couche par couche, affiné par des chercheurs du MIT et d'ailleurs, qui peut être contrôlé avec une grande précision. Le procédé permet de déterminer l'épaisseur de chaque couche à une fraction de longueur d'onde de la lumière près. Le matériau est ensuite comprimé, créant en son sein une série de plis précis dont l'espacement peut provoquer la diffusion de fréquences d'ondes sélectionnées (soit sonores soit lumineuses).

Étonnamment, dit Rudykh, ces effets fonctionnent même dans des matériaux où les couches alternées ont des densités presque identiques. Nous pouvons utiliser des polymères avec des densités très similaires et obtenir toujours l'effet, dit-il. La façon dont les ondes se propagent ou non à travers un matériau dépend de la microstructure, et nous pouvons la contrôler, dit-il.

En concevant cette microstructure pour produire un ensemble d'effets souhaité, puis en modifiant ces propriétés en déformant le matériau, nous pouvons réellement contrôler ces effets grâce à des stimuli externes, explique Rudykh. Vous pouvez concevoir un matériau qui se plisse à une longueur d'onde et une amplitude différentes. Si vous savez que vous souhaitez contrôler une plage de fréquences particulière, vous pouvez la concevoir de cette façon.

La recherche, qui est basée sur la modélisation informatique, pourrait également fournir des informations sur les propriétés des matériaux biologiques naturels, dit Rudykh. Comprendre comment les ondes se propagent à travers les tissus biologiques pourrait être utile pour les techniques de diagnostic, dit-il.

Par exemple, les techniques actuelles de diagnostic de certains cancers impliquent des procédures douloureuses et invasives. En principe, les ultrasons pourraient fournir les mêmes informations de manière non invasive, mais les systèmes à ultrasons actuels manquent de résolution suffisante. Les nouveaux travaux avec des matériaux froissés pourraient conduire à un contrôle plus précis de ces ondes ultrasonores, et donc à des systèmes avec une meilleure résolution, dit Rudykh.

Le système pourrait également être utilisé pour le masquage sonore - une forme avancée d'annulation du bruit dans laquelle les sons extérieurs pourraient être complètement bloqués à partir d'un certain volume d'espace plutôt que d'un seul endroit, comme dans les casques antibruit actuels.

La microstructure avec laquelle nous commençons est très simple, dit Rudykh, et est basée sur une fabrication couche par couche bien établie. À partir de ce matériau en couches, nous pouvons étendre à des microstructures plus complexes et obtenir des effets que vous ne pourriez jamais obtenir avec des matériaux conventionnels. En fin de compte, de tels systèmes pourraient être utilisés pour contrôler une variété d'effets dans la propagation de la lumière, du son et même de la chaleur.

George Fytas, professeur de science des matériaux et chef du groupe des polymères à l'Université de Crète, en Grèce, dit qu'il s'agit d'une idée très nouvelle, car elle induit un écart phonique directionnel qui n'existe pas dans la structure en couches. Il ajoute que cette découverte montre comment des outils théoriques bien établis peuvent prédire le comportement de nouveaux matériaux, ce qui est un défi pour les expérimentateurs.

La technologie est en cours de brevet et les chercheurs sont déjà en pourparlers avec des entreprises au sujet d'une éventuelle commercialisation, a déclaré Rudykh.

La recherche a été soutenue par l'US Army Research Office par l'intermédiaire du MIT Institute for Soldier Nanotechnologies.

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