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Tout au long de l’histoire de l’humanité, la découverte de nouveaux matériaux a eu une influence primordiale sur le développement de la civilisation. La pierre naturelle, le bronze et le fer ont donné leurs noms à des âges. Les années 1920 et 1930 marquent l’arrivée des polymères et depuis notre vie est impensable sans plastiques et caoutchoucs.

Quelques décennies plus tard, c’est le silicium qui entre en scène en donnant une impulsion au développement contemporain de l’électronique et des technologies numériques. Aujourd’hui, les chercheurs passent à la mise au point de tous nouveaux matériaux possédant des propriétés qu’on ne rencontre pas dans la nature. Les chercheurs des universités russes faisant partie du projet «5-100» ont évoqué les derniers progrès dans ce domaine.

Des matériaux avec des propriétés «impossibles»

Dans de nombreux laboratoires, les chercheurs œuvrent à la création de «méta-matériaux» dont les propriétés dépassent celles de leurs composants. Du point de vue de la physique, il s’agit de structures créées artificiellement et agencées d’une façon spécifique qui disposent de propriétés électromagnétiques ou optiques qui ne sont pas possibles dans la nature.

À l’avenir, ces nouveaux matériaux permettront d’obtenir l’invisibilité, de créer des chargeurs sans fil à toutes fins et des systèmes de stockage d’énormes quantités d’informations, ou encore la supraconductivité.

Affectionnée par les auteurs de science-fiction, l’invisibilité ne se rapporte pas uniquement aux propriétés optiques. Le bruit dont nous sommes protégés est invisible tout comme les coups physiques que nous ne sentons pas. Les matériaux contemporains permettent d’avoir de l’«invisibilité» pour protéger les soldats, les véhicules, etc.

En 2020, Forbes a annoncé que le Laboratoire de recherche de l'armée des États-Unis (Army Research Laboratory – ARL) finançait des recherches sur la mise au point de méta-matériaux capables de diriger l’énergie des ondes mécaniques en les faisant contourner les objets pour protéger ceux-ci contre les explosions, les ondes de choc, les séismes ou les vibrations. Ce genre d’invention peut rendre «invisible» un sous-marin ou un pont pour l’énergie mécanique.

Un revêtement qui rend invisible

Les chercheurs russes ont trouvé comment créer un revêtement plat capable de rendre invisible aux radars et à d’autres systèmes de détection tout objet d’une forme allongée (antennes d’avions, mâts de navires). Les résultats ont été publiés dans la revue Scientific Reports.

«Nous avons créé un revêtement spécial sur la base d’un diffuseur dipolaire magnétique idéal qui transforme un objet métallique d’une forme allongée à réponse électrique en objet à réponse magnétique. Par conséquent, cet objet devient invisible», a expliqué un des auteurs de l’étude, Alekseï Bacharine de l'Université nationale des sciences et de la technologie MISiS.

Pour cela, les chercheurs ont trouvé à ce méta-matériau «plat» une structure qui n’interagit pratiquement pas avec les ondes électromagnétiques qui lui tombent dessus, mais les laisse «passer» au travers d’elle.

Le matériau est composé de nanoparticules métalliques et diélectriques qui forment un motif qui se répète. Ce «dessin» est fait de telle façon que l’objet qu’il cache, cesse d’interagir avec la composante électrique de la lumière et ne la dissipe plus, grâce à quoi on peut éviter les phénomènes qui trahissent la présence de l’objet «invisible» et isoler totalement toutes sortes d’émetteurs tels que les antennes de satellites qui se trouvent trop près l’une de l’autre.

Prochainement, les chercheurs prévoient de moderniser le revêtement pour que celui-ci puisse interagir non seulement avec la composante électrique des ondes électromagnétiques mais aussi avec la composante magnétique de celles-ci. La mise au point expérimentale de ce genre de structures constituera un grand pas en avant vers l’invisibilité idéale, est convaincu Alekseï Bacharine.

Transmission de l’énergie par l’air

Un méta-matériau grâce auquel on peut transmettre une énergie par les airs, sur plusieurs fréquences à la fois, ce qui permet de créer des chargeurs sans fil à toutes fins, a été mis au point par les chercheurs de l’Université d'État en technologie de l’information, mécanique et optique de Saint-Pétersbourg ITMO. Ce nouveau matériau peut travailler simultanément avec différents types de récepteurs ou transmetteurs d’électricité sans fil. Il s’agit d’un ensemble de conducteurs qui forment un motif spécial et sont reliés entre eux à l’aide de condensateurs.

«Notre matériau possède de nombreuses propriétés exceptionnelles dont la dispersion fréquentielle renversée et l’existence de plusieurs fréquences résonnantes avec un champ magnétique homogène ce qui permet de transmettre de l’énergie par l’"air"», a expliqué Polina Kapitanova de l’Université ITMO.

Les chercheurs ont déjà créé un prototype de nouveau chargeur sans fil à toutes fins. Ils l'ont mis à l’essai en branchant plusieurs diodes électroluminescentes aux différents types de récepteurs d’électricité sans fil et en les plaçant au-dessus d’une table où se trouvait le méta-matériau. Le chargeur a sans interruption transmis de l’énergie par trois voies différentes en alimentant tous les appareils branchés. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Applied Physics Letters.

Gérer la supraconductibilité

En 2020, l’annonce de la création du premier supraconducteur actif à température ambiante a fait beaucoup de bruit. Selon ses auteurs, ce genre de technologie permettra de renoncer aux radiateurs électriques.

Les supraconducteurs sont des matériaux caractérisés par l’absence de résistance électrique. La supraconductibilité fait partie des plus grandes découvertes du XXe siècle. Il existe des prototypes d’ordinateurs quantiques qui utilisent des éléments supraconducteurs pour le stockage des informations. Les supraconducteurs sont également utilisés pour créer un puissant champ magnétique comme cela a été fait dans le cadre du projet du réacteur thermonucléaire expérimental international ITER.

Les chercheurs de l’Université polytechnique de Tomsk (TPU) ont proposé un nouvel outil pour la modification et la gestion des propriétés des matériaux supraconducteurs grâce à la modification de la géométrie du matériau qui est roulé en un petit tube fin. Auparavant, pour contrôler les propriétés des matériaux, on avait recours à une méthode classique en ajoutant des mélanges supplémentaires et en créant des défauts.

Lors de la modélisation, les chercheurs ont découvert un phénomène intéressant: sous l’action du courant électrique le matériau (niobium) roulé en tube change la configuration des courants supraconducteurs qui y circulent. Par conséquent, le matériau a à la fois des zones passantes et des zones diélectriques. Et ces états sont gérables: il suffit de modifier les paramètres du champ magnétique. À terme, cette découverte permettra de gérer les propriétés des supraconducteurs.

Les auteurs de l’article publié dans la revue Communications Physics indiquent que si les propriétés supraconductrices du niobium aplati sont déjà bien étudiées, celles de ce même matériau mais d'une autre géométrie, à savoir roulé en tube, ne le sont pas suffisamment. Par ailleurs, il n’existe pas d’instrument qui permettrait leur prévision. Les chercheurs ont proposé des modèles pour ce genre de prévision des propriétés.

Films nanostructurels bon marché

Un autre matériau contemporain pourrait révolutionner les technologies de l’information ou de la santé: un film métallique ayant une nanostructure ordonnée qui possède des propriétés exceptionnelles permettant de contrôler les champs magnétiques et de renverser l'aimantation, ce qui rend possible la création de systèmes pour l’enregistrement et le stockage de grandes quantités d’informations ou de capteurs de nanoparticules magnétiques avec l’aide desquels on peut surveiller l’état du sang d’un patient, la concentration de particules dans le sang, la vitesse de diffusion d’un médicament et son assimilation par l’organisme.

La création d’un ensemble ordonné de trous nanodimensionnels du même diamètre sur une grande surface est une tâche difficile et coûteuse, en tout cas, si on le fait directement, en perçant des trous dans un film. Les chercheurs de l’Université fédérale de l’Oural (OurFU) ont opté pour une autre voie qui est moins chère, en proposant d’utiliser le phénomène d’auto-assemblage ou d’auto-organisation.

Ce phénomène consiste à utiliser la technologie de l’anodisation de l’aluminium pour obtenir des surfaces poreuses avec une légère modification permettant d’avoir des trous avec un diamètre bien contrôlé qui forment une grille hexagonale. La couche anodisée d’aluminium est composée d’un matériau très dur ayant la formule chimique Al2O3 qui dans son état cristallisé est connu sous le nom de corindon ou de saphir. À l’issue du processus de l’auto-organisation des pores on obtient une surface ressemblant à des alvéoles d’abeille mais environ un million de fois plus petites que de vraies alvéoles.

L’idée de faire une couche d’aluminium avec des pores ordonnées est apparu il y a déjà un quart de siècle. Ces dernières années, on utilise cette couche d’aluminium comme une base pour les films y compris magnétiques, et aussi comme une forme pour obtenir des nanocâbles métalliques.

En collaboration avec les chercheurs de l’Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), les physiciens de l’OurFU ont obtenu un film amorphe exceptionnel TbCo avec une anisotropie magnétique perpendiculaire. Les résultats de leur travail ont été présentés dans la revue Nanotechnology.

«Ce matériau est singulier parce qu’il a deux sous-réseaux magnétiques dont les moments magnétiques sont dirigés dans les sens opposés. Pour les films de certaines compositions, lors de l’échauffement ou du refroidissement du film, ses propriétés magnétiques se modifient de façon substantielle. Par exemple, domineront les moments magnétiques le terbium ou le cobalt, ou bien tous seront pratiquement égaux. Cette propriété peut être particulièrement utile pour créer des milieux pour l’enregistrement magnétique des informations», a expliqué Nikita Koulech, chargé de recherche du département du magnétisme des corps rigides de l’OurFU.

Le film magnétique avec des trous nanodimensionnels permet en outre de dépasser ce qu’on appelle le seuil superparamagnétique: lorsque l’énergie des oscillations thermiques prévaut sur l’énergie de l’anisotropie magnétique, ont indiqué les chercheurs.

Les chercheurs de l’OurFU ont pu réaliser le cycle complet de la création de films ayant des différentes compositions, dont la synthèse électrochimique des supports poreux en aluminium anodisé avec des trous de différents diamètres ou avec un ensemble de bosses nanodimensionnelles, la fixation des films de revêtement avec un contrôle précis de la composition et de l’épaisseur. L’OurFU dispose en outre d’équipements permettant d’étudier les films obtenus.

Réalisé dans le cadre du projet national «Éducation», le projet «5-100» vise à favoriser le développement du potentiel de la recherche des universités russes et à renforcer leurs positions face aux concurrents sur le marché global de l’enseignement.

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Tags:
matériaux, Université nationale de technologie et de recherche (MISIS)
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