GT4 – Applications : applications en ingénierie des métamatériaux

Le quatrième groupe de travail vise à identifier les domaines d’application dans lesquels les « métamatériaux architecturés » pourraient apporter des nouvelles solutions à des enjeux scientifiques et technologiques encore non résolus. Dans le détail, le GdR Archi-Meta se concentrera sur :

Isolation acoustique / vibratoire. Les « métamatériaux architecturés » ont un grand potentiel pour les domaines de l’acoustique audible, sous-marine et en général vibratoire, qu’il s’agisse de diminuer le rayonnement (champ proche et / ou lointain) de structures vibrantes (fonction masquage), de réduire le coefficient de réflexion des ondes incidentes sur des structures (fonction anéchoïque), de réfléchir ou d’absorber une onde acoustique dans une direction donnée (barrière acoustique). Dans ce contexte l’enjeu principal est surtout lié aux basses fréquences, où souvent on enregistre une faible atténuation. Dans ce contexte les métamatériaux architecturés offrent un grand potentiel d’améliorer l’efficacité des écrans acoustiques en basses fréquences [ROS]. De plus, la simplicité dans la modification des caractéristiques physiques de tels écrans ainsi que leur mobilité (taille et poids restreints) permettent d’optimiser l’écran en fonction de la source de nuisances sonores.

Applications en santé (implants architecturés et stent). La géométrie des échafaudages poreux et architecturés, utilisés dans l'ingénierie tissulaire pour la substitution osseuse, influence de manière significative la réponse cellulaire, ainsi que le taux de régénération du tissu osseux. Les performances de ces implants sont fortement corrélées aux propriétés géométriques de l’architecture, comme la taille des pores, la courbure et la concavité / convexité des surfaces. D’un point de vue mécanique, la conception et la simulation de ces « métamatériaux biomécaniques » nécessite une approche multi-échelle, permettant de répondre à des exigences de conception souvent contradictoires [ZAD]. Pour satisfaire à ces contraintes, des échafaudages poreux fabriqués à l'aide de techniques de fabrication additive, où la géométrie peut être contrôlée avec précision, commencent à être utilisés de plus en plus. Le comportement sous chargement de ces implants, les interactions avec les tissus environnants et la résistance à la fatigue, jouent aussi un rôle très important en fonction du site anatomique choisi [ARA]. Dans le contexte des applications en santé des métamatériaux architecturés, le domaine émergent des essais cliniques in silico est particulièrement intéressant. Ces essais visent à remplacer, ou du moins à réduire, les essais cliniques classiques en utilisant des techniques de modélisation et de simulation préalablement validées.

Mécano-biologie. Au-delà de la réalisation de structures implantables, les métamatériaux mécaniques et acoustiques ouvrent des perspectives remarquables dans le domaine de la mécano-biologie, notamment pour la caractérisation et la compréhension des fonctions cellulaires. La réalisation d'échafaudage architecturés permet de disposer d'une matrice complexe présentant des propriétés mécaniques bien contrôlées à l'échelle locale, propice à l'étude des interactions cellulaires avec leur environnement à des fins d'ingénierie tissulaire. L'altération des propriétés mécaniques et viscoélastiques des cellules est par ailleurs un élément de diagnostic significatif pour un large champ de pathologies. La réalisation de matériaux architecturés bio-inspirés offre par exemple la possibilité de réaliser des fantômes tissulaires complexes et d'analyser leur réponse à des sollicitations mécaniques statiques afin de mieux cerner les comportements élastiques et viscoélastiques de tissus potentiellement pathologiques. Du point de vue dynamique, les métamatériaux élastiques peuvent être avantageusement associés à des architectures acousto-fluidiques dans le contexte de la réalisation de laboratoires sur puces capables à la fois de manipuler des particules biologiques et d'en caractériser les propriétés sur un plan mécano-biologique. Dans ce contexte, les métamatériaux peuvent être susceptibles à la fois d'enrichir les stratégies de manipulation cellulaires, d'améliorer la sensibilité de capteurs acoustiques intégrés ou encore de servir une nouvelle fois de socle aux interactions cellulaires, cette fois-ci en milieu liquide.

Technologies de l'information et de la communication. Les composants électro-acoustiques constituent l'une des technologies fondamentales pour les télécommunications radiofréquences. Ces dispositifs, miniaturés et passifs, sont souvent employés pour assurer des fonctions de filtrage au sein des terminaux de la téléphonie mobile. Les besoins croissants de transfert d'information haut débit et le déploiement des objets connectés ont encore ouvert le champ d'applications de ces composants qui permettent par ailleurs l'implémentation de références de temps compactes, de fonctions d'identification radiofréquences, ou encore de capteurs passifs interrogeables à distance. La capacité intrinsèque des vibrations mécaniques à interagir à leur environnement, associée aux fréquences et longueurs d'onde mises en jeu ont conduit à introduire ces composants miniaturés dans des champs disciplinaires s'étendant des sciences de la vie à l'optoélectronique, à l'acousto-électronique ou encore aux technologies quantiques.

Dans ce contexte, les métamatériaux acoustiques apparaissent en premier lieu comme une brique technologique pertinente pour l'amélioration des performances et du degré de compacité des composants acoustiques radiofréquence. Ils laissent également envisager la possibilité de réaliser des composants agiles en fréquence, inaccessibles au travers de solutions technologiques conventionnelles. De manière plus générale, la possibilité de maîtriser la localisation, la propagation ou encore le comportement dans le domaine temporel des ondes élastiques au travers de milieux architecturés constituent autant d'éléments déterminants pour la mise en place d'interactions multiphysiques. Le nombre de travaux croissants visant à l'élaboration de circuits phononiques et nano-mécaniques complexes et de composants phononiques multiphysiques intégrés illustre l'actualité de cet enjeu dans les domaines des technologies de l'information et de la communication.