Métamatériau

Un métamatériau est un matériau dont les propriétés ne découlent pas de ses constituants, mais de leur agencement. Le préfixe grec meta signifie « au-delà » — il faut entendre : au-delà de ce que la nature tient à disposition en fait de matériaux.

L'idée est à la fois simple et de grande portée. Si l'on dispose de petites structures selon un motif nettement plus fin que la longueur d'onde avec laquelle on les irradie, alors l'onde ne « voit » pas les éléments isolés, mais un matériau aux propriétés moyennées. Ces propriétés moyennées se laissent régler par la géométrie — et elles peuvent prendre des valeurs qu'aucune substance naturelle ne possède.

L'indice de réfraction négatif

L'exemple le plus connu est un indice de réfraction négatif. Le physicien soviétique Victor Veselago réfléchit en 1968, de façon théorique, à ce qui arriverait si un matériau possédait à la fois une permittivité négative et une perméabilité négative : la lumière serait réfractée dans la mauvaise direction en y entrant.

Un tel matériau n'était pas connu à l'époque. Trente ans plus tard, John Pendry décrivit comment on pourrait le construire, et en l'an 2000 un groupe autour de David R. Smith à l'université de Californie à San Diego montra l'effet expérimentalement dans le domaine des micro-ondes — avec un réseau de fils minces et de résonateurs annulaires fendus.

Depuis, les métamatériaux forment un domaine de recherche à part entière. En 2006, un premier dispositif de camouflage pour micro-ondes fut réalisé, qui faisait pour ainsi dire contourner un objet à une fréquence déterminée.

À quoi ils servent

Les métamatériaux ne sont depuis longtemps plus une simple curiosité de laboratoire :

• Antennes — formes compactes à effet directif, qui exigeraient classiquement plus de place
• Acoustique — protection contre le bruit, qui bloque de façon ciblée certaines fréquences
• Optique — lentilles qui résolvent plus finement que ne le permet la limite de diffraction classique
• Mécanique — matériaux qui s'épaississent au lieu de s'amincir lorsqu'on les étire
• Chaleur — agencements qui dirigent les flux thermiques

Tous ont ceci en commun : la fonction réside dans la structure, non dans la substance.

Rapport à la neutrinovoltaïque

Pour le Neutrino® Energy Group, cette idée est centrale. La neutrinovoltaïque ne repose pas sur un élément particulier, mais sur un empilement particulier : des couches alternées de graphène et de silicium à l'échelle nanométrique, selon le brevet WO2016142056A1 dix à vingt d'entre elles, en particulier douze.

Ici aussi vaut le principe du métamatériau : ni le carbone ni le silicium ne font isolément quoi que ce soit de remarquable. L'attente porte sur le réseau qu'ils forment ensemble — et sur le fait que ce réseau, sous cette forme, n'existe pas dans la nature.

Pour la carrosserie de la Pi Car, des métamatériaux sont également prévus. Le groupe les y décrit comme un moyen de traduire les flux environnants en microvibrations mécaniques qui, avec les nanocouches dopées, engendrent une résonance.

Pourquoi la structure change tant de choses

Une image aide. Une maison de briques et un chemin de briques sont faits du même matériau ; l'une tient chaud, l'autre porte du poids. La différence réside uniquement dans l'agencement.

Avec les métamatériaux, c'est la même chose, seulement un million de fois plus petit — et l'agencement ne décide pas de la chaleur ou de la charge admissible, mais de la manière dont une onde ou une particule interagit avec la substance. Que cette interaction se laisse façonner au lieu de devoir être subie, voilà le véritable gain.

Termes apparentés

• Graphène — l'une des moitiés de l'empilement
• Graphène dopé — structure de réseau modifiée de façon ciblée
• Pi Car — les métamatériaux dans la carrosserie
• Neutrinovoltaïque — le procédé qui est derrière

Sources

• W. G. Wesselago : The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ, Soviet Physics Uspekhi 10, 509 (1968).
• D. R. Smith et al. : Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84, 4184 (2000).
• Neutrino® Energy Group : The Pi Car, thepi.energy.