Un nouveau métamatériau dirige les vibrations sur des trajectoires ordonnées

– Les chercheurs ont développé un principe de conception permettant de réaliser des motifs complexes sur des puces en silicium par microfabrication.
– Grâce à ces motifs, les oscillations suivent des trajectoires prédéfinies.
– Un matériau structuré de cette manière pourrait convertir l'énergie des vibrations ou traiter des signaux sans fil.

Des chercheurs de l'ETH Zurich ont structuré une membrane en silicium ultra-fine de manière à pouvoir diriger spécifiquement les ondes mécaniques. De telles structures offrent des possibilités intéressantes pour transformer des vibrations indésirables en énergie utilisable ou pour traiter des signaux mécaniques.

Les métamatériaux – le terme peut sembler ésotérique pour les non-initiés. Pour la science, c'est cependant un domaine de recherche intéressant, qui s'est développé rapidement notamment depuis les années 1990.

Pour l'œil nu, un métamatériau ressemble à un matériau ordinaire. Sur des échelles plus petites, il est cependant construit de manière exceptionnelle. Cela lui confère des propriétés mécaniques particulières que le matériau de base ne possède pas.

Ces matériaux conçus artificiellement sont par exemple très légers, rigides, facilement déformables ou amortissent les chocs et vibrations. Les applications vont des semelles de chaussures (ETH-News en a parlé) et casques jusqu'à la microélectronique.

Propriété spéciale grâce à une microstructure particulière

Un chercheur qui s'intéresse intensément aux métamatériaux dans ses travaux est Dennis Kochmann, professeur de mécanique et de recherche sur les matériaux à l'ETH Zurich. « C'est fascinant de voir comment, grâce à une microstructure spécifique, on peut extraire d'un matériau quelque chose qu'il n'a pas sans cette structure », dit-il.

Récemment, Kochmann et ses collaborateurs ont présenté dans deux publications scientifiques un nouveau métamatériau phononique, un matériau capable de contrôler précisément les ondes mécaniques – vibrations ou signaux acoustiques.

Un tel métamatériau pourrait par exemple être utilisé pour convertir des vibrations en énergie ou pour traiter des signaux uniquement mécaniquement, ce qui est intéressant pour des capteurs et des ordinateurs mécaniques fonctionnant sans électricité.

Une membrane en silicium ultra-fine comme guide d'ondes

Lorsqu'on fait vibrer une plaque métallique – par exemple par des coups de marteau – les vibrations se propagent généralement de manière circulaire, comme des vagues dans l'eau. Mais si cette plaque possède une structure particulière, elle peut dévier les ondes dans des trajectoires ciblées. C'est précisément cet effet que les chercheurs de l'ETH ont exploité.

Au lieu d'utiliser une plaque métallique, ils ont employé une membrane en silicium extrêmement fine, dans laquelle ils ont intégré, par des procédés de photolithographie et de gravure, d'innombrables trous formant un motif spécifique.

Un motif composé de millions d'éléments

Ce motif est constitué de millions d'éléments carrés répétés – de minuscules carrés subdivisés en quatre autres carrés croisés. Au centre du carré principal se trouve une étoile à quatre branches.

Ces cellules unitaires ne sont pas identiques sur toute la structure, comme c'est souvent le cas pour d'autres métamatériaux, mais varient progressivement en modifiant la longueur des bras de l'étoile.

Pour générer ces motifs, les chercheurs de l'ETH ont utilisé des modèles informatiques spécifiques. Ils ont simulé la propagation d'une vibration incidente sur le motif sous forme de rayons.

« Si l'on simulait l'ensemble du champ d'ondes de manière classique, cela demanderait énormément de calculs, car l'espace de conception avec des millions de degrés de liberté est immense », explique Charles Dorn, ancien collaborateur de Kochmann. Il a dirigé les simulations et travaille aujourd'hui comme professeur assistant à l'Université de Washington.

Une construction de haut niveau

« La conception de notre métamatériau est modulaire, comme un puzzle », dit Kochmann. Différents morceaux du puzzle remplissent des fonctions spécifiques, comme dévier des rayons à angle droit ou diviser des ondes selon leur fréquence dans différentes directions. En assemblant habilement ces pièces, les chercheurs peuvent générer des trajectoires d'ondes complexes, comme un huit couché.

Fabriqué en salle blanche sur un support en silicium

Dans une étape suivante, les chercheurs ont fabriqué avec une grande précision les structures calculées dans une salle blanche au Binnig and Rohrer Nanotechnology Center de l'ETH Zurich et d'IBM. Ils ont utilisé un substrat en silicium classique comme support. En plusieurs étapes, ils ont créé une membrane en silicium structurée exactement comme le motif simulé, avec des centaines de milliers de cellules unitaires de quelques micromètres à peine, à peine visibles à l'œil nu.

Enfin, ils ont vérifié expérimentalement les membranes produites. À l'aide de impulsions laser, ils ont mis la membrane en silicium à vibrer. Grâce à une méthode de mesure optique, ils ont suivi en temps réel la propagation des vibrations.

Ils ont ainsi pu confirmer que les ondes suivaient bien les trajectoires prédéfinies, parfois sur de longues périodes.

Les structures ne fonctionnent pas uniquement à une fréquence de vibration spécifique : bien que le système ait été conçu pour 750 kilohertz (750'000 oscillations par seconde), il fonctionne également pour des fréquences comprises entre environ 250 et 800 kilohertz. « Nous ne avions pas prévu cette large bande de fréquences, cela nous a agréablement surpris », explique Vignesh Kannan, co-auteur de l'étude publiée dans la revue spécialisée Nature Communications.

Étant donné que le silicium possède naturellement une faible atténuation, les ondes peuvent se propager sur de longues distances. C'est un avantage majeur par rapport aux structures en polymère fabriquées par impression 3D, dont l'atténuation supprime rapidement toute vibration, explique Kannan, qui est aujourd'hui professeur assistant à l'École polytechnique de Paris.

Conversion d'énergie à partir de vibrations

La nouvelle membrane en silicium pourrait être utilisée en micro- et nanoélectronique, par exemple pour mieux contrôler les vibrations sur des puces. Cet métamatériau phononique est également intéressant pour le traitement mécanique de signaux sans alimentation électrique, par exemple dans des capteurs de surveillance d'infrastructures dans des zones inexplorées. À long terme, il pourrait aussi servir à de nouvelles architectures informatiques.

Kochmann pense également aux Energy Harvesters – des dispositifs qui dirigent spécifiquement l'énergie vibratoire vers des transducteurs piézoélectriques pour produire de l'électricité exploitable.

Dans les étapes suivantes, lui et ses partenaires de recherche souhaitent continuer à miniaturiser ces structures, jusqu'aux limites du possible, où des erreurs de fabrication dans la micro- ou même la nanostructure commencent à apparaître.

« Nous voulons aussi mieux comprendre la physique sous-jacente. Jusqu'à présent, il n'est pas entièrement clair pourquoi la conception fonctionne de manière aussi robuste sur de larges plages de fréquences », indique Kochmann.

Pour lui, la recherche fondamentale est primordiale, car certains phénomènes sous-jacents restent encore mystérieux. Les applications en découleraient souvent naturellement, explique-t-il. « Ce qui est beau ici à l'ETH, c'est que nous pouvons expérimenter et explorer les bases sans pression commerciale. »

Références bibliographiques

Kannan V, Dorn C, Drechsler U, Kochmann DM : Microscale Architected Materials for Elastic Waveguiding: Fabrication and Dynamic Characterization across Length and Time Scales. Physical Review X 2026, 16 : 011047, DOI : externe Seite 10.1103/21w4-zn1s
Dorn C, Kannan V, Drechsler U et al. : Graded phononic metamaterials based on scalable microfabrication and design. Nature Communication 2026, 17 : 3192, DOI : externe Seite 10.1038/s41467-026-69888