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Accueil du site > Equipes scientifiques > Matériaux Fonctionnels par Ingénierie Colloïdale - MaFIC

Métamatériaux Acoustiques

Contact : Olivier Mondain-Monval

L’extension du concept de métamatériau des ondes électromagnétiques aux ondes acoustiques est directe. Dans le cas acoustique, les grandeurs à moduler afin de contrôler la propagation des ondes sont la masse volumique ρ et la compressibilité χ des matériaux. L’approche que nous développons, en étroite collaboration avec l’Institut de Mécanique et d’Ingénierie (I2M, Thomas Brunet, Christophe Aristégui, Olivier Poncelet), le Laboratoire du Futur (LOF, Jacques Leng) et initialement le Laboratoire Ondes Matières d’Aquitaine (LOMA, R. Wunenburger) consiste à moduler les propriétés effectives (et donc leur masse volumique et densité effective ρeff et χeff respectivement) des matériaux. Pour ce faire, le milieu doit être constitué d’une dispersion d’inclusions "résonantes", ou micro-résonateurs, suspendues dans une matrice continue (approche dite des "matériaux localement résonants"). Ces résonateurs doivent présenter les caractéristiques suivantes : i) être réalisables en milieu fluide afin de tirer partie de nos compétences dans les techniques de formulation et de mise en forme (émulsification et microfluidique) de la matière molle ; ii) être de taille calibrée à environ 100 µm pour que les fréquences de résonances (et donc de possibles valeurs exotiques de ρ et/ou χ) soient dans le domaine des ultrasons (λ 1 mm) que nous ciblons dans cette étude ;; iii) présenter un contraste de vitesse de propagation des ondes maximal avec la matrice afin que les résonances soient d’amplitude les plus grandes possible. Suivant cette stratégie, nous avons pu proposer (Brunet, Leng & Mondain-Monval, Science 342, 323 (2013)) différentes structures de résonateurs qui permettent d’obtenir des métamatériaux présentant des valeurs exotiques de ρeff et χeff (Figure 1).

Figure 1 : Représentation schématique d’un métamatériau présentant une masse volumique négative (A) et une compressibilité négative (B). (C), (D), (E), (F) : Résonateurs de structures variées permettant d’obtenir un métamatériau simple négatif ((C) et (F)), ou double négatif (E).

1) Métamatériaux acoustiques 3D fluides et à indice négatif

Coll. : Jacques Leng (LOF), Olivier Sandre (LCPO), Olivier Poncelet, Christophe Aristégui, Thomas Brunet (I2M)

Membres : Artem Kovalenko, Kévin Zimny, Simon Raffy, Aurore Merlin, Benoit Mascaro

Les matériaux poreux apparaissent comme les meilleurs candidats pour former des résonateurs présentant un très grand contraste de vitesse avec une phase fluide standard. En effet, ils possèdent une compressibilité importante à cause de la proportion importante de gaz qu’ils peuvent contenir, tout en ayant une masse volumique non nulle. A l’aide de la formulation en émulsion (« emulsion templating ») et de la microfluidique, nous avons synthétisé plusieurs types d’objets poreux, notamment des billes de polymères macroporeuses (Fig. 2a) et des billes de xerogels de silice (Fig. 2b). Dans de tels milieux, la vitesse des ondes acoustiques est effectivement très faible et peut descendre jusqu’à moins de 100 m/s. Ainsi, les phénomènes de résonance sont exaltés lorsque ces objets sont dispersés dans une phase aqueuse de type fluide à seuil. Les mesures récemment effectuées ont démontré la validité de notre approche qui a mené à la réalisation du premier métamatériau acoustique tridimensionnel à indice de réfraction négatif dans un domaine de fréquence de l’ordre de la centaine de kHz. Ces résultats sont à paraitre très prochainement dans la revue Nature Materials (Brunet, Merlin, Zimny, Mascaro, Poncelet, Aristégui, Leng & Mondain-Monval, Nature Materials 2015).

Figure 2 : Cliché de microscopie à balayage (a) de billes polymères de silicone poreuses et (b) de billes de xerogel de silice poreuses ; Evolution de (c) la vitesse de phase et de(d) l’indice acoustique d’une suspension de billes de silicone poreux en fonction de la fréquence à différentes fractions volumiques : vert : 0,2 % ; rouge : 15 % ; noir : 20 %

Écoutez l’émission de radio du 22/01/2015 sur le sujet ! ... ou encore regarderle petit film explicatif.

Cette publication a eu un écho assez important dans la presse grand public :

Le Monde du 7/01/2015

Le Journal du CNRS

Site Université de Bordeaux Innovation Review

Science World Report

Science Daily

Nanowerk

Science 2.0

Communiqué CNRS

Site Futura

Site Bio Portfolio

Next Big Future website

Industrie et Technologies

2) Matériaux acoustiques modulables

Coll. : Jacques Leng (LOF), Olivier Sandre (LCPO), Olivier Poncelet, Christophe Aristégui, Thomas Brunet (I2M)

Membres : Kévin Zimny, Simon Raffy, Benoit Mascaro

Nos premiers travaux ont montré que des suspensions de gouttes d’huile fluorée (Figure 3a) de rayon extrêmement calibré (Fig. 3b) réalisées à l’aide d’une technique de robotique présentaient un contraste de vitesse de phases suffisant pour donner naissance au phénomène de résonance. Celui-ci peut être en effet mis en évidence sur les spectres d’atténuation et de vitesses de phase (Fig. 3c) qui présentent des pics caractéristiques des résonances des différents ordres (T. Brunet, S. Raffy, B. Mascaro, J. Leng, R. Wunenburger, O. Mondain-Monval, O. Poncelet & C. Aristégui, Applied Physics Letters 101, 011913 (2012)). Nous avons également pu étudier l’impact de la polydispersité des émulsions réalisées sur les spectres acoustiques (B. Mascaro, T. Brunet, O. Poncelet, C. Aristégui, S. Raffy, O. Mondain-Monval & J. Leng, Journal of the Acoustical Society of America 133 (4), 1996 (2013)).

Figure 3 : (a) cliché de microscopie optique d’une émulsion de gouttes d’huile fluorée dans le fluide à seuil (b) Histogramme des tailles correspondant (c) Évolution de l’atténuation et de la vitesse de phase en fonction de la fréquence (bleu : points expérimentaux du gel seul ; rouge : points expérimentaux du gel contenant les gouttes d’émulsion ; courbe continue noire : paramétrage par le modèle « Independant Scattering Approximation » sans polydispersité ; courbe pointillée noire : modèle ISA avec polydispersité)

Par la suite, nous avons pu rendre la réponse acoustique de ces matériaux modulable par un champ magnétique extérieur. Pour cela, nous avons, en étroite collaboration avec O. Sandre (LCPO, Pessac), dopé l’huile fluorée des émulsions par des particules d’oxydes de fer. Il a donc fallu dans un premier temps réalisé un ferrofluide fluoré (K. Zimny, B. Mascaro, T. Brunet, O. Poncelet, C. Aristégui, J. Leng, O. Sandre & O. Mondain-Monval, Journal of Materials Chemistry B 2, 1285 (2014)) que nous avons ensuite mis en émulsion par microfluidique. Le matériau obtenu a ensuite été caractérisé par acoustique ultrasonore. Le spectre obtenu met également en évidence des résonances (identiques à celles observées dans le fluide non fluoré) mais l’originalité est que l’application d’un champ magnétique extérieur déforme les gouttes de ferrofluides (Fig. 4), ce qui modifie la réponse du système aux ondes acoustiques. On obtient ainsi un matériau acoustique modulable dont le spectre acoustique (notamment la position des pics de résonances) peut être modifié par application d’un champ extérieur d’intensité ou d’orientation variable (Fig. 5). Les résultats obtenus ont été publié dans Physical Review Letters (T. Brunet, K. Zimny, B. Mascaro, O. Sandre, O. Poncelet, C. Aristégui & O. Mondain-Monval, Physical Review Letters 111, 264301 (2013)).

Figure 4 : Evolution du rapport d’aspect d’une goutte de ferrofluide fluoré ( 200 µm) en fonction du champ magnétique appliqué

Figure 5 : (a) Évolution du spectre fréquentiel d’atténuation en fonction de l’angle entre la direction du vecteur d’onde de propagation des ondes acoustiques k et celle du champ magnétique appliqué B ; Clichés de microscopie optique des gouttes ( 200 µm) d’émulsion de ferrofluide avec (b) k // B (c) k ┴ B.

3) Résonateurs de type masse-ressort

Coll. Jacques Leng (LOF), Régis Wunenburger (Institut Jean Le Rond d’Alembert, UPMC)

Anciens membres : Rawad Tadmouri, Lyuba Lukyanova, Lionel Bos

Dans cette étude, nous nous sommes attachés à la réalisation de résonateurs de type cœur-écorce constitué par un cœur rigide et très dense qui est tout d’abord synthétisé à l’aide de la technique de microfluidique (R. Tadmouri, M. Romano, F. Guillemot, O. Mondain- Monval, R. Wunenburger & J. Leng, Soft Matter 8, 10704 (2012)). Par la suite la deuxième étape consiste à encapsuler un tel cœur dans une coquille molle (ici un gel d’agarose), toujours à l’aide de la technique de microfluidique. Nous avons ainsi pu réaliser des systèmes cœur-écorce (L. Lukyanova, L. Séon, A. Aradian, O. Mondain-Monval, J. Leng & R. Wunenburger, Journal of Applied Polymer Science 128 (6), 3512 (2013)) tels que celui présenté sur la figure 6. Cependant, des calculs paramétriques effectués théoriquement sur ces systèmes ont montré que la fenêtre expérimentale permettant l’obtention d’ « effets méta » est extrêmement étroite et requiert l’utilisation de matériaux très spécifiques en termes de contraste de masse volumique du cœur et de constantes élastique de cisaillement de l’écorce ainsi que de la matrice continue du matériau.

Figure 6 : Cliché de microscopie optique d’un système cœur-écorce obtenu par microfluidique.