Un métamatériau fait danser le "moonwalk" aux ultrasons

Rendre un objet invisible, augmenter le pouvoir de résolution d'une lentille... les métamatériaux ont des propriétés exceptionnelles pour détourner et contrôler les ondes, notamment le son et la lumière. Des chercheurs du Centre de recherche Paul Pascal (CNRS) et de l'Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP/Arts et Métiers ParisTech) (1) viennent de développer les premiers métamatériaux en trois dimensions, en croisant formulation physico-chimique et technologie microfluidique (2). Il s'agit d'une nouvelle génération de métamateriaux "souples", plus faciles à mettre en forme. Dans leur démonstration, les chercheurs ont fait reculer l'oscillation ultrasonore (3), alors que l'énergie transportée par l'onde avançait. Ces travaux ouvrent notamment des perspectives nouvelles en imagerie haute résolution (échographie). Ils sont publiés dans la revue Nature Materials, le 15 décembre 2014.


Depuis les années 2000, la communauté scientifique internationale voit croître de manière exponentielle l'intérêt pour les métamatériaux et leurs propriétés hors du commun. Un métamatériau est un milieu dans lequel la vitesse de propagation de la phase (4) des ondes, lumineuses ou acoustiques, peut être négative (on dit que le matériau a un indice de réfraction négatif). Dans un tel milieu, la phase de l'onde (les oscillations successives) et l'énergie transportée par cette même onde se propagent en sens opposé. Une propriété qu'aucun milieu naturel homogène ne possède.

Pour obtenir un métamatériau, il est nécessaire de fabriquer un milieu hétérogène contenant un grand nombre d'inclusions (appelées "microrésonateurs"). La méthode usuelle consiste à usiner par micromécanique (gravure, dépôt...) des supports solides qui présenteront les propriétés de métamatériaux selon une ou deux dimensions. Mais cette technique ne permet pas de travailler sur de la matière molle aux échelles micrométriques requises pour les ultrasons, et les matériaux obtenus restent limités à une ou deux dimensions.


Dans cette étude, les chercheurs ont réalisé un nouveau type de métamatériau, en phase fluide, constitué de microbilles de silicone poreux en suspension dans un gel à base d'eau. Ce "métafluide" est le premier métamatériau tridimensionnel fonctionnant à des fréquences ultrasonores. En outre, en raison de son caractère fluide, il peut être fabriqué par des procédés physico-chimiques et des technologies microfluidiques beaucoup plus simples à mettre en œuvre que les techniques de micromécanique.

Les milieux poreux possèdent la propriété d'avoir des célérités du son très faibles (quelques dizaines de mètres par seconde) par rapport à l'eau (1500 mètres par seconde). Grâce à ce fort contraste, la suspension dans son ensemble possède les propriétés d'un métamatériau, lorsque la concentration en billes est suffisante. En effet, en étudiant la propagation d'ondes ultrasonores dans ce milieu, les chercheurs ont mesuré de manière directe un indice de réfraction négatif. Au sein d'un tel métafluide, l'énergie associée à l'onde se propage logiquement de l'émetteur au récepteur, comme attendu, tandis que les oscillations semblent "reculer" en se propageant dans l'autre sens, à la manière d'un danseur pratiquant le "moonwalk".


Ces résultats laissent entrevoir de nombreuses applications allant de l'imagerie ultrasonore haute résolution à l'isolation sonore et à la furtivité en acoustique sous-marine. De plus, cette voie de synthèse par les techniques de physico-chimie de la matière molle permet la fabrication de matériaux fluides ou souples de formes adaptables, et ce sur des échelles potentiellement industrialisables.

Notes:

(1) en collaboration avec le Laboratoire du futur (CNRS/Solvay/Université de Bordeaux)

(2) La microfluidique est la science de la manipulation des fluides à l'échelle micrométrique.

(3) Ondes acoustiques de haute fréquence (supérieure à 20 kHz) utilisées en échographie ultrasonore, en acoustique sous-marine (sonar) ou encore par certains animaux (chauves-souris).

(4) La phase d'une onde désigne les oscillations successives du milieu.