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Fabrication de pointe et nouveaux matériaux
Les nouveaux matériaux sont des composants essentiels des technologies émergentes qui promettent d'être des domaines de croissance majeurs pour l'économie, tels que l'énergie solaire moins chère, les batteries de voitures électriques qui peuvent durer plus longtemps entre les charges, les appareils électroniques portables légers et les dispositifs médicaux implantables pour la médecine personnalisée. Mais le voyage du nouveau matériau au produit prend généralement une à deux décennies. C'est en grande partie parce que les nouveaux matériaux nécessitent des technologies de fabrication avancées qui peuvent prendre de nombreuses années à se développer.
Matière première : Cette matière, qui pourrait être utilisée dans les cathodes des batteries lithium-ion, a été découverte par criblage informatique. Les différentes formes représentent différentes parties du composé, un mélange de lithium, de manganèse, de bore et d'oxygène.
La Maison Blanche espère réduire ce temps de moitié en investissant 100 millions de dollars dans un Initiative du génome des matériaux visant à encourager une utilisation plus efficace des outils de modélisation informatique que les chercheurs utilisent pour prédire les propriétés de nouveaux matériaux. L'initiative, qui fait partie de la Maison Blanche Partenariat de fabrication de pointe , soutiendra le libre accès à ces modèles et bases de données dans toute la communauté des sciences des matériaux dans l'espoir de connecter les universitaires à l'industrie plus tôt dans le processus de développement.
Dans l'état actuel des choses, les scientifiques travaillant avec de nouveaux matériaux ne prennent pas en compte suffisamment tôt les problèmes de fabrication, selon Cyrus Wadia , directeur adjoint de la R&D sur les énergies propres et les matériaux au Bureau de la politique scientifique et technologique de la Maison Blanche. En conséquence, leurs recherches peuvent les mener dans des impasses. Le moyen de changer cela, croit-il, est d'encourager l'ensemble de la communauté des sciences des matériaux, des universitaires aux fabricants, à partager des données et des outils de calcul – le génome des matériaux. Wadia dit qu'il veut que les chercheurs se demandent : qui l'a déjà fait, qu'ont-ils appris et que peut supporter le marché ?
Les scientifiques des matériaux ont utilisé des modèles prédictifs avec divers degrés de succès au cours des 20 dernières années, manipulant des données sur des propriétés telles que le point de fusion, la conductivité ou la façon dont un composé réagit avec d'autres pour prédire si un matériau convient à une application particulière telle que une électrode de batterie. Les calculs impliqués sont très compliqués. Mais une fois que le code pour prédire les candidats prometteurs pour une application particulière est écrit, il peut être appliqué pour tester le potentiel de n'importe quel matériau, dit Gerbrand Cèdre , professeur de science des matériaux au MIT, spécialisé dans la modélisation informatique de nouveaux matériaux d'électrode de batterie. Malheureusement, il n'y a pas d'infrastructure pour aider les chercheurs à partager leurs données et le code utilisé pour les analyser, et peu de modèles ont pris en compte les problèmes de fabrication.
Le problème avec la mise à l'échelle et la fabrication, c'est que vous ne comprenez pas tout, dit Ceder. Si nous pouvions faire les choses exactement comme nous les avons faites en laboratoire, il n'y aurait pas de problème. Mais ça ne marche pas comme ça. Des différences mineures dans les conditions de fabrication sont inévitables lorsque l'on passe de la fabrication de grammes d'un matériau à sa fabrication à la tonne. Et les matériaux qui sortent des laboratoires universitaires d'aujourd'hui sont plus difficiles à fabriquer que les matériaux du passé. De nombreux matériaux avancés acquièrent leurs propriétés extraordinaires grâce à une précision structurelle à l'échelle moléculaire ou même atomique, et leur fabrication n'est pas comme la fabrication, par exemple, de l'acier. Vous fabriquez de l'acier en faisant fondre des métaux ensemble dans une immense cuve, dit Alexandre le roi , directeur du laboratoire national Ames dans l'Iowa. Dans la fabrication de matériaux avancés, dit King, vous devez utiliser des méthodes plus contrôlées, sinon les atomes ne feront pas ce que vous voulez. Des incohérences dans le contrôle de la température, le mélange ou d'autres facteurs peuvent entraîner une défaillance. Et les techniques utilisées pour atteindre une précision à l'échelle atomique en laboratoire peuvent être difficiles à traduire en fabrication à grande échelle.
La fabrication cohérente de grands lots d'un matériau complexe dans une usine nécessite presque toujours des processus différents de ceux utilisés pour fabriquer de petits lots en laboratoire. Cela signifie plus d'argent, de temps et de risques. Par exemple, supposons qu'un laboratoire de recherche ait fabriqué des cellules solaires fonctionnelles d'un pouce carré dont la couche active est créée en imprimant une encre à nanoparticules. La commercialisation d'une telle technologie oblige une entreprise à développer plusieurs techniques de fabrication. Il doit d'abord comprendre comment fabriquer les nanoparticules en grandes quantités ; il doit ensuite trouver un équipementier pour fournir une machine personnalisée pour imprimer ces encres sur des mètres carrés, ou développer cet équipement lui-même. Mais il se peut même qu'il n'atteigne pas ce stade. Et si, lorsque les chercheurs essaient de fabriquer un grand nombre de ces cellules solaires, ils ne parviennent pas à organiser les nanoparticules de manière cohérente et que les cellules ne fonctionnent pas ? À tout moment, une faille fatale peut être découverte.
La Materials Genome Initiative vise à prédire de tels problèmes de fabrication et à en éloigner les scientifiques et les ingénieurs plus tôt dans la phase de développement. Les problèmes liés à la mise à l'échelle du laboratoire à l'usine n'ont rien de spécial, explique Ceder. Le principal défi à l'heure actuelle est que des groupes et des entreprises individuels ont développé des extraits de code et amassé des données sur des matériaux nouveaux et existants, mais ils n'ont aucun moyen de partager ces informations. Ils déposent un brevet, font publier un article et tout s'arrête là. Le génome des matériaux rassemblera toutes ces données dans une base de données centrale.
La culture universitaire est plus propice au partage de données que la culture d'entreprise, mais Wadia, qui a discuté de cette initiative avec des représentants des principales entreprises de matériaux au cours des dernières années, pense que les laboratoires d'entreprise y contribueront également. En effet, il serait difficile pour un tel projet de réussir sans eux. Cela commencera dans des poches de communautés, mais nous devons obtenir une masse critique pour que cela fonctionne, dit-il. Les entreprises qui fabriquent des matériaux avancés génèrent déjà une grande quantité de données grâce à la surveillance quotidienne des opérations de fabrication, et il espère qu'elles partageront ce type d'informations avec la Materials Genome Initiative.
Nous pensons qu'un rôle clé que l'industrie peut jouer est de fournir notre point de vue sur la façon dont les matériaux sont utilisés, conçus et évalués pour les applications de produits industriels, déclare Christine Furstoss, directrice technique des technologies de fabrication et des matériaux chez Recherche mondiale GE . Nous utilisons un grand nombre de matériaux qui sont appliqués dans plusieurs industries et avons un vif intérêt à aider à faire progresser les performances et la fabricabilité de ces matériaux.
Les 100 millions de dollars initiaux seront répartis entre quatre agences gouvernementales : le National Institute of Standards and Technology, le ministère de l'Énergie, la National Science Foundation et le ministère de la Défense. Les représentants de la Maison Blanche ne diraient pas combien d'argent irait à chaque agence et pour quels projets spécifiques, mais l'accent, selon Wadia, est mis sur la construction d'une infrastructure informatique. Ce à quoi cette infrastructure devrait ressembler sera défini au cours de la prochaine année. Le financement ira également à des initiatives éducatives.
Les nouveaux matériaux sont des catalyseurs clés pour la fabrication, déclare Ceder. Si vous allez augmenter la fabrication aux États-Unis, vous n'allez pas le faire sur les anciennes technologies.