Abonnez-vous Identifiez-vous

Identifiez-vous

Vos codes d'accès sont erronés, Veuillez les saisir à nouveau. Mot de passe oublié ?

Conception : Les matériaux au crible de l'ordinateur

, ,

Publié le

Enquête Pour accélérer le développement de nouvelles batteries ou de cellules solaires, les propriétés de milliers de matériaux sont calculées. Objectif : identifier les plus intéressants.

Rêve de chimiste : arriver le matin au labo... et consulter l'écran de son ordinateur. La machine, qui a travaillé pendant la nuit, propose un petit nombre de matériaux dont la composition a des chances d'améliorer, par exemple, les performances d'une batterie au lithium. Notre chercheur retourne à la paillasse pour fabriquer et tester les matériaux sélectionnés. Grâce à l'ordinateur, il n'aura pas à tâtonner pendant des mois et il ne s'engagera pas sur de fausses pistes.

Utopie ? Vision simpliste ? Sûrement. Mais ce scénario idéal résume l'ambition affichée par la Materials genome initiative (MGI), lancée par Barack Obama en 2011. Au sein de la MGI, qui bénéficie de 100 millions de dollars (78 millions d'euros) de financement public, le Materials project, pilotée par le MIT et le Lawrence Berkeley national laboratory (LBNL), mise sur une utilisation intensive de l'informatique pour diviser par deux le temps de développement de matériaux. Un véritable besoin : des premières recherches en laboratoire jusqu'à l'utilisation industrielle, près de vingt ans peuvent s'écouler, comme on a pu l'observer avec les batteries lithium ion. « Le calcul permet d'orienter la recherche expérimentale. Il peut, par exemple, éviter de travailler sur des composés dont on sait montrer a priori qu'ils ne seront pas stables », explique Geoffroy Hautier, chercheur à l'Université catholique de Louvain (Belgique). Geoffroy Hautier est devenu un partenaire du Materials project, après avoir fait sa thèse au laboratoire de Gerbrand Ceder, au MIT, sur des méthodes de calculs « à haut débit ».

Il ne suffit pas de savoir calculer les caractéristiques électriques, optiques, thermiques ou magnétiques d'un matériau à partir de théories issues de la physique quantique. Pour avoir une chance de repérer les candidats intéressants, il faut être capable de balayer des milliers de compositions. La base de données Inorganic crystal structure database (ICSD), répertoire des structures cristallines minérales connues qui aux dernières nouvelles comptait plus de 150 000 composés, s'enrichit de 7 000 nouveaux enregistrements par semestre... Les passer à la moulinette du calcul quantique est un vrai travail de Romain. Ainsi, à la recherche de cathodes performantes pour des batteries au lithium, le groupe de Gerbrand Ceder, qui a travaillé avec le soutien d'industriels comme Bosch et Umicore, a « calculé » 20 000 matériaux... pour en dénicher trois potentiellement intéressants. De leur côté, la Duke university et ses partenaires veulent calculer la structure électronique des composés connus, pour alimenter la base de données aflowlib.org. Ils ont récemment annoncé en avoir calculé 13 000 !

Engranger des données, c'est bien. Encore faut-il disposer d'outils pour les exploiter. Les premiers commencent à apparaître. Ainsi, le Materials project, autour de sa base de données - dont l'objectif est de calculer les caractéristiques de 50 000 composés - a développé un logiciel qui établit leur diagramme de phases (il prédit la stabilité d'un composé en fonction de sa composition). Un autre outil calcule l'énergie de réaction (pour savoir si le produit est facile à fabriquer). Un troisième a pour but de prédire la structure cristalline des nouveaux composés, tandis qu'un module spécialisé est dédié aux matériaux pour les batteries au lithium.

Les partenaires d'aflowlib se sont eux aussi fondés sur les diagrammes de phases pour étudier des alliages de deux métaux (150 000 à ce jour). Ils ont ainsi identifié de nouvelles phases à base de magnésium, intéressantes pour des alliages légers. Les traitements sur ordinateur ont aussi sélectionné des catalyseurs potentiels à base de rhodium, ruthénium, ou rhénium (des métaux du groupe du platine). Par ailleurs, la base de données est utilisée pour trouver des matériaux thermoélectriques, qui transforment la chaleur en électricité. Applications visées : la récupération d'énergie et la réfrigération. « L'originalité d'aflowlib est que nous caractérisons la structure électronique des composés », souligne Stefano Curtarolo, qui dirige le projet à la Duke university.

C'est en s'appuyant sur ce type de données que le groupe a publié des résultats sur une classe de matériaux récemment découverte, les isolants topologiques. Leur particularité est d'être isolants dans la masse et conducteurs en surface. Des propriétés intéressantes pour les futurs ordinateurs quantiques. L'étude menée a permis de sélectionner 28 matériaux candidats. L'autre intérêt de cette publication est qu'elle met en évidence deux méthodes caractéristiques de ce type de recherche. Les chercheurs ont commencé par analyser les isolants topologiques connus, pour en extraire un « descripteur » du bon candidat. Appliquée à la base aflowlib, la description type a sorti les 28 composés. Ensuite, des calculs fondamentaux (« ab initio ») ont permis de les caractériser précisément, et les matériaux ont été classés selon leur faisabilité et leur stabilité. L'un d'eux, inconnu des paillasses jusqu'ici, est en cours de synthèse pour être testé.

 

Chercheurs indispensables

D'autres recherches se fondent sur l'existant. Pour identifier de nouveaux composés piézoélectriques, une équipe de l'Iowa state university se passe de calculs quantiques complexes. Une méthode d'apprentissage statistique analyse les corrélations entre la structure des cristaux piézoélectriques connus et leurs propriétés, et en tire des règles pour en prévoir de nouveaux. Mais la plupart des chercheurs misent sur une combinaison judicieuse d'analyse de données (« data mining ») et de calculs ab initio. « Les deux approches sont complémentaires. Le data mining sélectionne des candidats probables, tandis que les calculs ab initio caractérisent complètement les matériaux retenus », résume Geoffroy Hautier, qui a eu recours aux deux méthodes pour un logiciel de prédiction de structures cristallines.

Des premiers résultats qualifiés de prometteurs, des méthodologies optimales qui se mettent en place... Mais on est encore loin de la machine automatique à concevoir les matériaux. Si seul l'ordinateur est capable d'abattre un tel travail, l'expertise des chercheurs reste indispensable. Sur les techniques de calcul elles-mêmes. En effet, toutes les méthodes informatisées comportent des approximations - on ne sait pas résoudre exactement les équations - mais grâce à l'expérience acquise depuis une vingtaine d'années, les chercheurs savent mieux quel type d'approximation donne des résultats corrects pour le calcul d'une propriété donnée. « Il est bien connu que les méthodes du type DFT [théorie de la fonctionnelle de la densité, ndlr] fonctionnent bien pour les calculs d'énergie, mais pas pour les propriétés optiques ou « bandgap ». D'autres méthodes existent, mais les temps de calcul sont plus longs », précise Geoffroy Hautier.

Face au rouleau compresseur américain, certains estiment aussi que cette démarche systématique et spectaculaire fait peu de cas de l'intuition du chimiste expérimenté. « Les travaux menés par l'équipe de Gerbrand Ceder au MIT sont intéressants et s'appuient sur des moyens importants. Mais on peut leur reprocher de ne pas donner les limites de leur approche », estime Marie-Liesse Doublet, spécialiste du calcul ab initio pour les batteries à l'Institut Charles Gerhardt (CNRS/université de Montpellier). Avec des laboratoires du réseau français sur les batteries, la directrice de recherche souhaiterait un Materials genome à la française, qui introduirait l'intuition et l'expertise des chimistes dans les modèles de calcul. Cela suppose une saine coopération entre théoriciens et expérimentateurs, ce qui, en France, n'est pas une mince affaire...

Outre-Atlantique, on y croit. Pellion, start-up issue du MIT, développe des batteries au magnésium, qui donneraient aux voitures électriques deux fois plus d'autonomie qu'aujourd'hui. Pour réaliser la cathode, 12 000 matériaux ont été analysés par le calcul à haut débit. Une douzaine de composés candidats ont été sélectionnés, et doivent être testés.

UN ENJEU POUR...

  • L'autonomie des batteries de véhicules électriques
  • Les cellules photovoltaïques du futur
  • La conception de nouveaux catalyseurs
  • Le développement de l'électronique quantique

 

150 000

C'est le nombre d'enregistrements dans ICSD, la plus grande base de données sur les structures cristallines minérales.

 

L'Europe, première en calcul

Qu'on se le dise, la recherche européenne devance largement celle des États-Unis ou d'Asie en nombre de publications sur les calculs « ab initio » (fondés sur les équations de la mécanique quantique) des propriétés des matériaux. La plupart des grands logiciels utilisés par la communauté scientifique sont d'origine européenne. C'est le cas de Vasp (Vienna ab initio simulation package), qui compte 3 000 à 4 000 utilisateurs, dont le Materials project du MIT. Ou d'Abinit (1 000 utilisateurs), dont le développement est coordonné par Xavier Gonze, à l'Université catholique de Louvain. Le réseau Psi-k, soutenu par le European science foundation, qui fédère 1 500 à 2 000 chercheurs, vise à augmenter la précision des calculs ab initio, et à améliorer leur caractère prédictif. Il développe leur application à de nouveaux matériaux. Sans oublier le grand sujet d'avenir : la simulation multi-échelles, où l'art de réinjecter les résultats des calculs ab initio, réalisables à l'échelle de quelques centaines d'atomes, dans des modèles à plus grande échelle capables de rendre compte de propriétés mécaniques.

Réagir à cet article

Créez votre compte L’Usine Connect

Fermer
L'Usine Connect

Votre entreprise dispose d’un contrat
L’Usine Connect qui vous permet d’accéder librement à tous les contenus de L’Usine Nouvelle depuis ce poste et depuis l’extérieur.

Pour activer votre abonnement vous devez créer un compte

Créer votre Compte
Suivez-nous Suivre Usine Nouvelle sur Facebook Suivre Usine Nouvelle sur Twitter RSS Usine Nouvelle