Explorer les propriétés d'un nouveau matériau avant même sa création Créer de nouveaux matériaux, atome par atome

Comprendre les propriétés des matériaux, en prédire les performances et inventer ou créer de nouvelles matières : des objectifs qui requièrent une parfaite compréhension des phénomènes complexes qui sont à la base de l'existence d'un matériau, et ce à l'échelle de ses plus petits composants.

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EPFL - THEOS - Theory and Simulation of materials

Arrivé en 2011 à l'EPFL, le professeur développe et utilise des techniques puissantes de modélisation numérique des matériaux à l'échelle atomique, en utilisant les principes fondamentaux de la mécanique quantique. Basés sur les « premiers principes » de la physique, ses calculs permettent de résoudre les mystères de l'exact comportement des matériaux sans passer par des données expérimentales.

Ce changement de paradigme dans le processus d'invention et de découverte des matériaux signifie d'une part qu'il est possible d'explorer les propriétés d'un nouveau matériau avant sa création dans un laboratoire, et d'autre part, qu'il est possible de visualiser des milliers d'entre eux rapidement et via un ordinateur, afin de choisir celui qui a les meilleures compétences selon le besoin des chercheurs. « Nous pouvons dès lors étudier des matériaux qui se trouvent dans un environnement qu'il n'est pas possible de reproduire, comme par exemple au centre de la terre, sur des planètes très éloignées ou encore dans le monde du « nano », pour les dispositifs qui sont de l'ordre du milliardième de mètre. », indique le scientifique. « Mieux encore, les outils de modélisation augmentent en rapidité et en efficacité avec la même vitesse que les ordinateurs, c'est-à-dire que la performance double tous les 14 mois. » Ces outils sont par ailleurs partagés à travers le monde, via un modèle démocratique qui permet à chaque scientifique de les télécharger gratuitement, et de contribuer à l'effort en retour.

« Comprendre », « prédire » et « développer » les propriétés et performances de nouveaux matériaux et dispositifs, en utilisant les simulations de mécanique quantique : c'est donc la mission du Laboratoire de théorie et simulation des matériaux (THEOS), dirigé par le Professeur Nicola Marzari. Le scientifique part des lois de la mécanique quantique et de l'électromagnétisme qui régissent le comportement des électrons et des atomes, les transpose en algorithmes informatiques et lance de nombreuses simulations, afin de comprendre ou de découvrir de nouveaux matériaux. Et puisque l'existence « physique » d'un laboratoire ou celle d'infrastructures majeures n'est pas requise, les possibilités sont uniquement limitées par l'ingéniosité humaine et la puissance des ordinateurs. « Nous sommes au début d'une révolution. Nous avons déjà obtenu une description très précise de l'architecture moléculaire et de la performance d'un matériau donné bien avant de mettre un pied dans un vrai laboratoire », explique le professeur Marzari. « Je trouve cela magique », ajoute-t-il.

De la nanotechnologie à l'énergie, en passant par la médecine

La liste des applications liées aux recherches effectuées au sein du groupe de Nicola Marzari semble sans fin. Pour les nanotechnologies, notamment, il est important de comprendre comment les électrons se déplacent au sein de composants miniatures. Cela donne de précieuses informations quant à l'ajout supplémentaire d'un million de transistors sur une puce actuelle, par exemple, afin de parvenir à ce que chacun exécute la tâche qui lui est assignée, sans pour autant brûler le système. Parfois, les dispositifs sont si petits que les électrons deviennent balistiques, c'est-à-dire qu'ils se déplacent sans efforts ni résistance, ce qui permet d'éviter de faire brûler le système. Le graphène (objet d'un Prix Nobel en 2010) pourrait permettre par exemple remplir ces conditions. Le défi consiste toutefois à le développer pour qu'il soit compatible avec le traitement d'information. Autre problème : le fait de dissiper toute cette chaleur.« Plus un dispositif est petit, plus il dégage de la chaleur en fonctionnant, et plus il peut être abîmé », dit le professeur. « Nous devons donc avoir un contrôle précis des mécanismes de la génération et de la dissipation de chaleur, afin d'obtenir le dispositif le plus rapide et le plus efficace. »

Le groupe avait d'ailleurs commencé à travailler sur le graphène bien avant qu'il soit décrit à travers une expérience réelle. Il avait notamment prédit quelques-unes de ses performances les plus exceptionnelles, telles que la capacité de se contracter avec l'augmentation de la température, plutôt que celle de s'étendre, et la capacité à pouvoir transporter une grande quantité de chaleur.

Le groupe s'attèle également à l'amélioration de la performance et la création de nouveaux matériaux pour des applications dans le domaine de l'énergie. Le but est de trouver de nouvelles façons pour collecter l'énergie (par exemple solaire) et pour la stocker ou la convertir en carburant. Il s'agit d'étudier de nouvelles électrolytes pour les batteries lithium-ion, des nouveaux catalyseurs pour les piles à combustible et des matériaux thermoélectriques qui permettent de transformer la chaleur en électricité.

Côté pile à combustible, le groupe travaille notamment sur un moyen de remplacer le platine des électrodes par un matériau tout aussi efficace et présent sur terre de manière abondante, et par conséquent, moins coûteux. Il s'agit également d'étudier comment, en contrôlant la forme des catalyseurs - substance qui augmente la vitesse de la réaction chimique -, il est possible de rendre ces électrodes plus performantes. Les nanoparticules métalliques sont par exemple intéressantes pour créer des catalyseurs très actifs, mais elles ne durent pas très longtemps. « Il faut dès lors trouver le bon équilibre pour obtenir des catalyseurs actifs, mais pas trop», ajoute le chercheur.

Les applications ne se bornent par ailleurs pas qu'aux nanotechnologies et à l'énergie. Le groupe a récemment développé une nouvelle façon de décrire les réactions d'un matériel confronté à un champ magnétique. Cela s'est traduit par un nouvel algorithme permettant de mesurer les changements chimiques lors d'expériences de résonance magnétique nucléaire. Le Professeur Marzari utilise cette technique pour essayer de décoder la structure du ciment au niveau microscopique (en collaboration avec la Professeure Scrivener), mais aussi pour étudier la forme et la structure des calculs biliaires de cholestérol. L'identification de ces corps cristallins permettrait ainsi aux médecins de trouver une façon efficace de les dissoudre. « Ceci est un exemple d'une approche théorique nouvelle qui se transforme en algorithme, et qui nous donne de nouvelles compétences pour interagir avec nos collègues du monde de l'expérimental », commente le professeur.

Une base de données mondiale

De manière générale, les simulations ne requièrent qu'une infrastructure software : il est donc naturel d'utiliser les méthodes et approches informatiques pour organiser la recherche. Par exemple, le fait d'effectuer des calculs reliés à une base de données, en utilisant des techniques d'apprentissage automatique (machine learning) afin de découvrir des lois cachées dans les données, et de stocker tous les calculs effectués par le groupe, dans un répertoire permanent. Dans ce contexte, Nicola Marzari tient notamment à tirer parti du fait que les simulations numériques pointues peuvent être effectuées à l'aide d'un simple ordinateur, sans passer par un laboratoire.

« Grâce à l'augmentation continue de la performance des ordinateurs, il est possible de réaliser toujours plus de prédictions, et de façon toujours plus précise, sans nous heurter aux limites induites par les expériences physiques. »

Dans cette perspective, il a développé une plateforme informatique des matériaux, permettant l'étude de milliers de systèmes à la fois, au lieu de devoir les appréhender les uns après les autres. En parallèle à un environnement open-source des outils de simulation utilisés - www.wannier.org et de www.quantum-espresso.org -, l'idée est de créer une base de données mondiale des propriétés des matériaux, et de stocker les résultats des calculs effectués dans le monde. «  Même basé dans un endroit reculé, n'importe quel scientifique ayant un accès internet sera capable d'alimenter cette base avec les résultats qu'il aura obtenu. Cet outil permettra de démocratiser la science, et d'obtenir une base regroupant des connaissances globales. Je pense qu'une révolution est en marche », ajoute le scientifique, pour conclure. MSM

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