Une étude dont les résultats intitulés «Soft 3D acoustic metamaterial with negative index» ont été publiés dans la revue Nature Materials, a permis de développer les premiers métamatériaux en trois dimensions, en croisant formulation physico-chimique et technologie microfluidique.

Rappelons qu'un métamatériau «est un milieu dans lequel la vitesse de propagation de la phase des ondes, lumineuses ou acoustiques, peut être négative (on dit que le matériau a un indice de réfraction négatif)» de sorte que «la phase de l'onde (les oscillations successives) et l'énergie transportée par cette même onde se propagent en sens opposé», une «propriété qu'aucun milieu naturel homogène ne possède».

Ces «propriétés hors du commun» ont fait «croître de manière exponentielle» depuis les années 2000 dans la communauté scientifique internationale l'intérêt pour les métamatériaux.

Pour élaborer un métamatériau, «il est nécessaire de fabriquer un milieu hétérogène contenant un grand nombre d'inclusions (appelées 'microrésonateurs').

La méthode employée habituellement «consiste à usiner par micromécanique (gravure, dépôt…) des supports solides qui présenteront les propriétés de métamatériaux selon une ou deux dimensions». Cependant, cette technique «ne permet pas de travailler sur de la matière molle aux échelles micrométriques requises pour les ultrasons, et les matériaux obtenus restent limités à une ou deux dimensions».

Dans l'étude ici présentée, la nouveauté a été de réaliser un métamatériau, en phase fluide, «constitué de microbilles de silicone poreux en suspension dans un gel à base d'eau», qui est le «premier métamatériau tridimensionnel fonctionnant à des fréquences ultrasonores».

De plus, son caractère fluide fait qu'il peut être fabriqué «par des procédés physico-chimiques et des technologies microfluidiques beaucoup plus simples à mettre en œuvre que les techniques de micromécanique».

Comme «les milieux poreux possèdent la propriété d'avoir des célérités du son très faibles (quelques dizaines de mètres par seconde) par rapport à l'eau (1500 mètres par seconde)», ce fort contraste confère à la suspension dans son ensemble «les propriétés d'un métamatériau, lorsque la concentration en billes est suffisante».

Ainsi, en observant la propagation d'ondes ultrasonores dans ce milieu, un indice de réfraction négatif a été mesuré de manière directe. Dans ce 'métafluide', alors que «l'énergie associée à l'onde se propage logiquement de l'émetteur au récepteur, comme attendu», les oscillations «semblent 'reculer' en se propageant dans l'autre sens, à la manière d'un danseur pratiquant le 'moonwalk'».

Cette avancée, obtenue par une voie de synthèse qui «permet la fabrication de matériaux fluides ou souples de formes adaptables, et ce sur des échelles potentiellement industrialisables», laisse imaginer «de nombreuses applications allant de l'imagerie ultrasonore haute résolution à l'isolation sonore et à la furtivité en acoustique sous-marin».