[Dossier] Les métamatériaux passent à l’action

Dans les télécommunications (pour la 6G et les satellites), l’automobile, l’aéronautique (pour une meilleure insonorisation) ou même l’optique (pour de nouvelles caméras infrarouges, antireflets, hydrofuges et autonettoyantes) : les métamatériaux sont partout. Et ils ont le vent en poupe chez les industriels.

« Je regarde les ruptures technologiques d’assez près, et ces matériaux en font partie, confirme Marko Erman, directeur scientifique chez Thales. D’ailleurs, notre groupe travaille sur les métamatériaux en s’intéressant à plusieurs aspects. Nous sommes vraiment à un point de bascule, de la recherche à l’industrialisation, et les métamatériaux sont loin de n’être pour nous qu’un objet de curiosité. »

L’intérêt n’est pas près de retomber si l’on en juge par les prévisions des cabinets de conseil. Selon Facts & Factors, le marché mondial des métamatériaux devrait passer d’un peu plus de 280 millions de dollars en 2022 à plus de 1 800 millions de dollars en 2028, soit un taux de croissance annuel moyen de 36 %.

Facts & Factors

Ce dynamisme pourra s’appuyer sur une recherche foisonnante, qui devrait permettre de faire émerger encore d’autres applications. D’autant que, comme l’explique Sébastien Guenneau, directeur de recherche au CNRS et spécialiste dans ce domaine, « la grande nouveauté des métamatériaux est que ce terme n’est pas attaché à un matériau en particulier, mais à un concept qui nous permet notamment de revisiter tout ce qui est connu en termes de physique des ondes ».

Les métamatériaux sont un concept de rupture qui peut aller des ondes nanométriques de la lumière à la géophysique.

—  Sébastien Guenneau, directeur de recherche au CNRS

L’application la plus spectaculaire – et la plus médiatisée – est certainement la cape d’invisibilité, théorisée en 2006 par le Britannique John Pendry, de l’Imperial College de Londres, et ses collègues américains de l’Université de Duke, aux États-Unis, David R. Smith et David Schurig. Ils sont parvenus la même année à une démonstration expérimentale surprenante : rendre invisible un cylindre de cuivre de quelques millimètres situé au centre d’un dispositif en métamatériau architecturé, constitué de résonateurs installés sur des anneaux fendus disposés de manière périodique.

Grâce à ce système d’une douzaine de centimètres au total, le cylindre est devenu invisible aux ondes centimétriques (entre l’infrarouge et les micro-ondes, soit entre 3 et 30 GHz). Car ce système a une limite : il ne fonctionne que sur une petite plage de fréquences dépendant de la taille des résonateurs et des anneaux fendus, qui doivent être au moins 10 fois plus petits que la longueur d’onde considérée. « En effet, pour fonctionner, un métamatériau doit avoir une périodicité inférieure ou égale à la longueur d’onde de travail divisée par 10, précise Frédérique Gadot, professeure des universités à l’UFR systèmes industriels et techniques de communication à l’université de Nanterre. Et pour reproduire un tel dispositif dans le spectre visible, entre 400 et 700 nm, il faut réaliser des structures périodiques avec un pas de 75 nm au minimum, ce qui atteint les limites technologiques. »

Mais si ce résultat est l’un des plus spectaculaires et a largement contribué à relancer les recherches sur les métamatériaux, en réalité, l’idée de matériaux artificiels aux propriétés ondulatoires uniques est bien plus ancienne. Elle remonte à la fin des années 1960 et aux travaux d’un physicien de l’Institut de physique et de technologie de Moscou, Victor Veselago. Ce dernier avait imaginé un matériau dont la permittivité et la perméabilité seraient négatives. De quoi concevoir une lentille plate fabriquée à partir de ce matériau, qui aurait les mêmes propriétés qu’une lentille classique sphérique, sans ses défauts comme la distorsion de l’image. Pourtant, il s’est heurté à un problème : aucun matériau naturel connu n’a de telles propriétés.

Ses travaux tombent alors dans un oubli relatif pendant quelques décennies, jusqu’à ce que John Pendry – encore lui – et ses collègues les redécouvrent dans les années 1990 et décident de voir s’il est possible de créer artificiellement un tel matériau. Selon eux, la solution reposerait sur la conception d’un ensemble de microstructures périodiques. C’est ainsi que John Pendry imagine dans un premier temps une structure composée d’un réseau métallique qui, avec la bonne géométrie, a une permittivité négative. Puis en 1999, « il propose de fabriquer des résonateurs, découpés en boucles ouvertes, dont la particularité est d’avoir une perméabilité négative, raconte Frédérique Gadot. En 2000, David Smith parvient à assembler les deux dans un démonstrateur, avec un indice de réfraction environ égal à - 2,7. »

La même année, John Pendry a l’idée de la « lentille parfaite » (ou super lentille), qui exploite les propriétés optiques particulières de ces nouveaux métamatériaux, notamment celle d’amplifier et de focaliser les ondes évanescentes. Ces ondes lumineuses, dont l’intensité décroît exponentiellement en fonction de la distance, sont responsables de la perte de résolution d’une image dont les détails sont inférieurs à la moitié de la longueur d’onde. Les focaliser et les amplifier permet de faire disparaître cette perte de résolution.

Un concept déclinable

Les propriétés de cette nouvelle lentille, petite révolution dans l’optique, ont largement été explorées depuis. En particulier depuis une dizaine d’années, avec l’essor concomitant de la fabrication additive qui a levé certains verrous en termes de taille de composants. De métamatériaux, ces nouvelles lentilles ou métalentilles, sont devenues métasurfaces (ou métamatériaux surfaciques), c’est-à-dire des nanostructures planaires architecturées. Elles s’affranchissent ainsi d’une dimension, simplifiant encore leur fabrication. En plus d’avoir une meilleure résolution que les lentilles classiques, elles sont aussi plus légères puisque planes et ultra-fines.

Parallèlement, à partir des matériaux à indice de réfraction négatif, le concept de métamatériau a été décliné sous de multiples formes et dans différents domaines. «C’est un concept de rupture qui peut aller des ondes nanométriques de la lumière à la géophysique, où l’on a des ondes sismiques avec des longueurs d’onde de quelques dizaines de mètres à plusieurs centaines de kilomètres», pointe Sébastien Guenneau. En outre, « aujourd’hui, on ne cherche plus forcément à obtenir un indice de réfraction négatif. D’ailleurs, la cape d’invisibilité de John Pendry n’avait pas non plus cette caractéristique. On utilise la possibilité d’ajuster les paramètres effectifs que sont la permittivité et la perméabilité, en jouant sur la géométrie. Cela a de nombreuses applications, par exemple dans les antennes », renchérit Frédérique Gadot.

Le coût, un frein à lever

Chez Thales, les métamatériaux sont utilisés pour réaliser des antennes plates de communications satellites pour les avions, afin de développer les services à bord comme le Wi-Fi. Ces antennes sont capables de viser un satellite et de le suivre alors que l’avion est en mouvement, sans qu’on ait besoin de les tourner mécaniquement, contrairement aux antennes en dôme déployées sur certains TGV. Le tout pour seulement quelques centimètres d’épaisseur. « Si elles ne sont pas encore implémentées, il n’y a plus beaucoup d’obstacles industriels à leur mise en service : le design est au point, le processus de fabrication 3D bien maîtrisé », indique Marko Erman.

Les métamatériaux ne se cantonnent pas aux ondes électromagnétiques : ils gagnent les ondes acoustiques et mécaniques. Un domaine où les métamatériaux sont relativement plus faciles à concevoir et à fabriquer puisque les longueurs d’onde considérées sont plus grandes qu’en électromagnétisme. Ils peuvent être facilement implémentés pour insonoriser un moteur, par exemple, ou rendre furtif un sous-marin. Enfin, certains prennent aussi le terme « métamatériaux » dans son acception la plus large – « méta » signifiant « au-delà » en grec – qui évacue l’idée de propriétés ondulatoires particulières et se concentre uniquement sur l’idée de propriétés qui ne se retrouvent pas dans la nature. Cela permet de concevoir de nouveaux matériaux aux propriétés mécaniques étonnantes.

Mais quel que soit le domaine, leur développement à plus grande échelle reste limité par plusieurs freins. Ainsi, selon Marko Erman, « le principal obstacle, ce sont les matériaux et la qualité de leur usinage, puisque nous n’avons pas de limitation dans la phase de conception ». Plus les pièces sont petites, plus la complexité augmente lors de leur fabrication. Or les métamatériaux ne supportent pas la présence de défauts dans leur conception, qui modifieraient leur capacité à façonner les ondes.

« L’une des difficultés à l’heure actuelle, mais qui est en train d’être partiellement résolue, c’est que les métamatériaux sont globalement plus chers que les traitements classiques, observe de son côté Jean-Philippe Groby, spécialiste des métamatériaux acoustiques au laboratoire d’acoustique de l’université du Mans. Si les possibilités et les performances offertes sont beaucoup plus importantes que celles des matériaux classiques, leur coût reste un frein. » Cependant, « nous constatons que ce coût est quand même très clairement en train de décroître, nuance-t-il, pour conclure sur une note positive. Et les secteurs comme l’aéronautique trouvent de plus en plus d’applications de niche pour ces métamatériaux. »