De nouveaux métamatériaux acoustiques 3D fonctionnant dans l'ultrason

La combinaison de matière molle et microfluidique a permis récemment de mettre au point les premiers métamatériaux acoustiques tridimensionnels fonctionnant dans le domaine des ultrasons. Constitués de petites particules sphériques d'un matériau poreux incluses dans une matrice aqueuse, ces matériaux possèdent la propriété remarquable d'avoir un indice de réfraction négatif, faisant reculer l'oscillation ultrasonore sur une bande significative de fréquence. Dans de nouveaux matériaux, les chercheurs du Laboratoire du futur (CNRS/Solvay/Université de Bordeaux), du Centre de recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux) et de l'Institut de mécanique et d'ingénierie (CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP) ont mis en évidence une seconde bande d'indice de réfraction négatif sous des conditions très précises: les particules doivent être parfaitement calibrées, en concentration suffisante, et le matériau les constituant ne doit pas être trop mou. Ces résultats sont parus dans la revue Advanced Materials.

Comme les matériaux poreux sont à la fois denses (présence d'un squelette solide) et compressibles (grâce aux nombreuses cavités d'air), le son s'y propage de manière relativement lente, parfois même plus lentement que dans l'air. Ces matériaux sont donc des candidats intéressants pour l'ingénierie des métamatériaux acoustiques, capables de jouer avec la propagation du son. Récemment, 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, fonctionnant à des fréquences ultrasonores. Ce matériau présente un indice de réfraction négatif, propriété rarement rencontrée: l'oscillation ultrasonore recule alors que l'énergie transportée par l'onde avance.

Ces mêmes chercheurs viennent également de synthétiser un nouveau matériau poreux en utilisant un dispositif microfluidique qui permet de calibrer de manière ultra-précise les particules formées.


Ils ont ainsi obtenu des particules sphériques de silice poreuse d'environ 700 µm de diamètre à partir d'un gel éthanolique à base de nanoparticules de silice. Elles contiennent environ 80% d'air: ce sont des xérogels sphériques et isométriques de silice nanoporeuse.


Ces gels possèdent des propriétés acoustiques remarquables dites "double-bande": ils présentent non pas une (comme pour le matériau précédent) mais deux bandes de fréquence où l'indice de réfraction est négatif.

Ce travail a également permis d'identifier les paramètres cruciaux qui gèrent l'existence et la position en fréquence de telles bandes d'indice négatif: il existe un seuil en concentration de particules à dépasser pour obtenir ces bandes ; les particules ne doivent pas être trop molles (module de cisaillement pas trop faible) pour pouvoir supporter la propagation des ondes de cisaillement en leur sein ; enfin, l'isométrie des particules est cruciale car une polydispersité supérieure à 5% tue la seconde bande.

Cette approche est totalement originale puisqu'elle combine pour la première fois matière molle et microfluidique pour fabriquer le métafluide brut en large quantité. Ce matériau pourrait ensuite être utilisé comme revêtement acoustique pour modifier les propriétés d'une structure en transmission (isolation) ou en réflexion (anéchoïsme).

Pour plus d'information voir:
Simon Raffy, Benoit Mascaro, Thomas Brunet, Olivier Mondain-Monval & Jacques Leng
A Soft 3D acoustic metafluid with dual-band negative refractive index
Adv. Mater. 15 décembre 2015
DOI: 10.1002/adma.201503524