Les nouvelles possibilités offertes par les métamatériaux ont été judicieusement mises à profit pour imaginer des applications très prometteuses en hydrodynamique et en sismique.
Ces travaux reposent sur les analogies entre les différentes équations d’onde, comme par exemple entre les ondes de plasmon de surface et les ondes Rayleigh et les ondes de Love en élastodynamique ou les vagues en hydrodynamique. Ces activités de recherche ont bénéficié d’un financement européen ERC entre 2011 et 2016.
Les derniers travaux en hydrodynamique reposent sur une première série d’études sur des capes d’invisibilité pour les vagues (collaboration avec IRPHE, Marseille) [Dup-1,Dup-2]. Ces connaissances ont été mises en œuvre pour proposer de nouvelles solutions pour la protection contre les vagues océaniques qui pourraient être utilisées pour concevoir de nouvelles générations de digues structurées [Dup-3]. Ces solutions ont fait l’objet de deux brevets, et leur pertinence en terme d’application est étudiée dans un projet de maturation avec la SATT-SE.
En 2009, les chercheurs de l’Institut Fresnel ont proposé de protéger des bâtiments sensibles en utilisant des métamatériaux sismiques, comme montré par l’image artistique (figure 4.3b) qui schématise des ondes de Rayleigh détournées par un ensemble de différentes couches concentriques. Un premier prototype de métamatériau sismique a été caractérisé expérimentalement en 2012 en collaboration avec l’industriel Ménard du groupe Vinci (collaborateurs industriels S. Brûlé et E. Javelaud) [Bru-4]. Ces résultats très prometteurs montrent que le concept de cape sismique pourrait permettre de créer des barrières protectrices contre des effets destructeurs des tremblements de terre. Des solutions avec des colonnes de béton dans le sol, ou bien des piliers rigides sur le sol sont actuellement étudiées, pour notamment contrôler les ondes de Rayleigh dans les bassins sédimentaires, en collaboration avec le groupe de Philippe Roux à ISTERRE, Grenoble (PI. de l’ANR METAFORET https://metaforet.osug.fr/ ), l’Institut Langevin et l’Imperial College de Londres [Col-1].
Un projet Marie-Curie METAQUAKENG finance actuellement le post-doctorat (2018-2020) de Bogdan Ungureanu entre Londres et Marseille sur les métamatériaux en ingénierie sismique (PI : Richard Craster, Imperial College). La simulation numérique 3D ci-contre de Bogdan Ungureanu montre l’interaction d’une source sismique ponctuelle à la fréquence 10 Hz quand elle est placée au centre d’une cape sismique de 1 kilomètre de confinée au centre de la cape qui se comporte comme une cavité faisant apparaître un mode dipolaire, et qu’à l’extérieur le rayonnement est isotrope, en accord avec la théorie du cloaking.
Un Innovative Training Networks (ITN) INSPIRE est en phase finale de signature sur les métamatériaux sismiques (PI : Ioannis Antoniadis, Technical University of Athens). L’institut Fresnel est membre de ce consortium et s’attachera à appliquer les techniques de physique transformationnelle pour proposer de nouveaux designs de capes sismiques.
Références :
[Dup-1] Guillaume Dupont, Olivier Kimmoun, Bernard Molin, Sébastien Guenneau, Stefan Enoch. Numerical and experimental study of an invisibility carpet in a water channel. Physical Review E, 2015, 91, pp.023010.
[Dup-2] Guillaume Dupont, Sébastien Guenneau, Olivier Kimmoun, Bernard Molin, Stefan Enoch. Cloaking a vertical cylinder via homogenization in the mild-slope equation. Journal of Fluid Mechanics, 2016, 796, pp. R1-R12.
[Dup-3] Guillaume Dupont, Fabien Remy, Olivier Kimmoun, Bernard Molin, Sébastien Guenneau, Stefan Enoch. Type of dyke using C-shaped vertical cylinders. Physical Review B, 2017, 96 (18), pp. 180302.
[Bru-4] Stéphane Brulé, Emmanuel Javelaud, Stefan Enoch, Sébastien Guenneau. Experiments on Seismic Metamaterials : Molding Surface Waves. Physical Review Letters, 2014, 112, pp.133901.
[Col-1] Andrea Colombi, Roux Philippe, Sébastien Guenneau, Philippe Gueguen, Richard Craster. Forests as a natural seismic metamaterial : Rayleigh wave bandgaps induced by local resonances. Scientific Reports, 2016, 6, pp.19238.
Contact : Sébastien Guenneau, Stefan Enoch (CLARTE), Guillaume Dupont (Centrale Marseille) et Stéphane Brûlé (Entreprise Ménard)
