Qu’est-ce qu’un métamatériau ?

Cela fait longtemps que les métamatériaux émergent régulièrement dans l’actualité scientifique, via des recherches menées dans les laboratoires du monde entier. 

Théorisés par le physicien russe Victor Veselago à la fin des années 1960, les métamatériaux voient leurs propriétés éclater au grand jour en 2000, grâce aux expériences menées par deux physiciens, John Pendry et David Smith, sur des prototypes de capes d’invisibilité.

En effet, la caractéristique d’un métamatériau est de présenter des propriétés électromagnétiques, acoustiques, sismiques, thermiques et mécaniques que l’on ne retrouve pas dans un matériau naturel. Ces matériaux sont constitués de structures périodiques, diélectriques ou mécaniques, se comportant comme un matériau homogène, mais n’existant pas à l’état naturel.

Les métamatériaux à main gauche

Les propriétés des métamatériaux font l’objet depuis les années 2000 de multiples recherches, visant notamment à étudier les différentes possibilités offertes par les métamatériaux. C’est le cas des métamatériaux « à main gauche » par exemple. Ces derniers ont un indice de réfraction négatif, et nécessitent une perméabilité et une permittivité négatives, simultanément, pour que leurs propriétés soient effectives. La réalisation, avec ce type de matériau, d’une super lentille en 2006, d’une résolution quasi infinie, et d’une cape d’invisibilité, ont définitivement montré au monde scientifique que ces propriétés pouvaient être exploitées. Dans des conditions spécifiques qui rendent extrêmement complexe le passage du laboratoire à l’usine, pour le moment.

Outre un indice de réfraction, une permittivité et une perméabilité négatives, les propriétés des métamatériaux à main gauche sont nombreuses : amplification des ondes évanescentes, inversion de l’effet Doppler, inversion de l’effet Tcherenkov, vitesse de phase et de groupe opposées… tous ces effets observés en laboratoire pourraient dans les années à venir donner lieu à des applications concrètes, dans plusieurs domaines de l’industrie : 

• lentilles à très haute résolution ;
• Matériaux à indice négatif ;
• Pièges à lumière, dispositifs d’invisibilité ;
• Antennes compactes et directives, antennes résonantes ;
• Réalisation de digues flottantes ;
• Métamatériaux sismiques.

Les métamatériaux sismiques

Les ondes sismiques font l’objet de nombreuses recherches en relation avec les métamatériaux, notamment dans le but de développer des dispositifs permettant de limiter la propagation des ondes sismiques, et donc de protéger plus efficacement les populations. Pour ceci, les chercheurs s’intéressent aux sols structurés. Pour lutter contre les aléas liés à la sismicité de notre planète, des dispositifs ont été développés, qui consistent à structurer un sol, avec du bois ou du ciment par exemple, pour rendre ce dernier moins sensible à la liquéfaction. Il s’agit là de structurer un sol pour en changer les propriétés mécaniques. Mais il est également possible, en disposant dans un sol de manière périodique des matériaux, qui vont avoir pour effet de créer un métamatériau capable de limiter la propagation des ondes sismiques en modifiant le trajet des rais sismiques, ou encore en en filtrant certaines fréquences. 

Récupération d’énergie

L’utilisation de matériaux élastiques ayant un fort contraste de rigidité permet d’obtenir un métamatériau dont la masse effective en dynamique devient négative à certaines fréquences. Pour faire simple, les ondes élastiques ne peuvent pas se propager dans ces matériaux à certaines fréquences, elles sont piégées. Cette propriété peut être utilisée pour concentrer de l’énergie dans une zone prédéfinie d’un micro-système, pour pouvoir l’exploiter. 

Ces quelques exemples illustrent le potentiel extraordinaire des métamatériaux, dont les propriétés électromagnétiques, acoustiques, sismiques, thermiques et mécaniques, permettent d’imaginer des applications industrielles révolutionnaires. En attendant, les verrous technologiques actuels pour un développement industriel des métamatériaux sont encore nombreux. 

La difficulté à réaliser ces matériaux sur de grandes surfaces, la difficulté à concevoir de nouveaux motifs, et les nombreux effets parasites font partie des difficultés que les chercheurs œuvrent actuellement à surmonter.

Par Pierre Thouverez