La base de données de matériaux prouve son courage avec de nouvelles découvertes

Essayer de trouver de nouveaux matériaux, d'améliorer les performances de quoi que ce soit, des puces électroniques aux carrosseries de voitures, a toujours été un processus d'essais et d'erreurs. Le scientifique des matériaux du MIT, Gerbrand Ceder, compare cela à un départ de Boston pour la Californie, sans carte ni système de navigation – et à pied.

Mais, dit-il, après des siècles de recherche sur les matériaux à l'ancienne, une révolution importante est en cours, grâce à une base de données informatisée massive et un système de simulation qui peuvent trier des milliers de matériaux potentiels dans le temps qu'il aurait fallu auparavant pour étudier. juste un. Le système s'appelle le projet de matériaux; alors qu'il n'a que trois ans environ, il a déjà produit de nouvelles découvertes importantes.

Exemples de matériaux découverts grâce à une nouvelle technique : des composés contenant du lithium appelés sidorenkites ont été identifiés comme matériaux potentiels de cathode de batterie grâce à une exploration informatique à haut débit. Aucun matériau contenant du lithium avec les groupes chimiques CO3 et PO4 trouvés dans ces composés n'existe dans la nature - ces matériaux sont entièrement synthétiques et inattendus. Selon le métal spécifique qu'ils contiennent, ils prennent des couleurs distinctes (illustrées ici). Photo reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs.

Par exemple, les chercheurs utilisant les outils en ligne du Materials Project ont trouvé des types entièrement nouveaux de matériaux conducteurs transparents - une classe cruciale pour les appareils à écran tactile, tels que les smartphones - qui n'existent pas dans la nature et dont l'existence n'avait pas été prédite. D'autres ont utilisé le système pour trouver de nouveaux matériaux qui pourraient être utilisés dans les électrodes de batterie et les semi-conducteurs.

Il y a un total d'environ 35 000 composés inorganiques connus, dit Ceder ; presque tous sont inclus dans la base de données du Materials Project. Les données incluent également des milliers de composés inconnus qui n'existent pas dans la nature et n'ont pas encore été synthétisés en laboratoire, mais dont les caractéristiques de base peuvent être prédites à l'aide de calculs complexes basés sur la théorie de la mécanique quantique. La vision est de créer un recueil des caractéristiques des matériaux : conductivité électrique, structure cristalline, dureté, stabilité, etc.

Ceder et ses collègues du MIT et du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ont décrit cette nouvelle approche, qu'ils appellent conception de matériaux informatiques à haut débit, dans des articles récents dans Scientific American et APL Materials. Leur travail a inspiré la Maison Blanche à lancer un effort national, désormais appelé Materials Genome Initiative (le nom initial du projet dirigé par le MIT et le LBNL), pour diffuser la nouvelle approche auprès des institutions à travers le pays.

Nous savons très peu de choses sur le monde des composés chimiques qui nous entourent, explique Ceder, professeur Richard P. Simmons en science et ingénierie des matériaux. Si vous choisissez un composé au hasard parmi ceux que nous connaissons et demandez : « Est-ce difficile ? Est-ce un bon conducteur ? De quelle couleur a-t-il ? Est-ce raide ?’ – vous ne sauriez pas la réponse. Une estimation approximative, dit-il, est que nous connaissons moins de 1% des propriétés des composés qui nous entourent.

Et cela ne fait que compter les propriétés de base, explique Ceder : les connaissances sont encore plus clairsemées en ce qui concerne le comportement technique - les connaissances plus détaillées, telles que la durabilité sous contrainte ou la sensibilité à la corrosion, nécessaires pour choisir un matériau pour une application spécifique. Le projet de construire une base de données complète des propriétés des matériaux, dit-il, jette les bases, tout comme le projet du génome humain a établi des connaissances de base sur la base génétique des caractéristiques humaines.

Beaucoup de ces propriétés peuvent maintenant être calculées, dit Ceder. L'objectif du projet Matériaux, au cours des prochaines années, est de calculer ces propriétés pour tous les composés connus, et certains inconnus. Avec ces informations, les ingénieurs pourraient utiliser un ordinateur pour filtrer des milliers de matériaux pour une application particulière, en fonction des propriétés spécifiques requises.

Par exemple, Procter & Gamble a demandé à Ceder et à ses collègues de passer au crible tous les matériaux possibles pour une nouvelle électrode pour les batteries Duracell de l'entreprise. L'équipe a pu cribler 130 000 composés réels ou hypothétiques, dressant une liste de 200 qui répondaient aux critères souhaités et qui avaient le potentiel d'être plus performants que les matériaux actuellement utilisés. Une autre entreprise a utilisé le système pour découvrir un nouveau catalyseur pour séparer l'eau en hydrogène et oxygène ; un troisième l'a utilisé pour trouver un nouveau matériau à utiliser dans les puces de mémoire informatique.

L'espoir est que d'ici cinq à dix ans, la base de données contiendra des informations sur les propriétés de base de tous les composés qui peuvent exister. Cela prendra quelques millions d'heures CPU au cours des prochaines années, dit Ceder – ce qui semble beaucoup, mais c'est en fait une quantité relativement faible par rapport à certaines tâches à forte intensité de calcul telles que la modélisation du climat ou la simulation d'explosions, dit-il.

Cela, dit-il, permettrait aux scientifiques des matériaux modernes de passer de quelque chose qui s'apparente aux explorateurs du XVIe siècle – essayant d'en savoir plus sur un continent sans cartes ni boussoles – aux voyageurs d'aujourd'hui, avec leurs appareils GPS.

Nous ne nous perdons plus, dit Ceder. Mais comme pour les cartes, le Materials Project ne vous dit pas où aller, il vous indique simplement comment vous y rendre : c'est toujours à vous de décider des propriétés dont vous avez besoin.

Geoffroy Hautier, chercheur à l'Université catholique de Louvain en Belgique, déclare : La manière traditionnelle de développer des matériaux est souvent très empirique et repose beaucoup sur le hasard et l'intuition. Mais avec le Materials Project, que Hautier et ses collègues ont utilisé pour découvrir de nouveaux matériaux transparents et conducteurs, le calcul à haut débit fournit une accélération considérable à l'ensemble du processus.

Je suis sûr qu'il y aura des applications auxquelles nous n'avons jamais pensé parce que nous n'avions pas l'expertise nécessaire pour dire que cette propriété spécifique était importante pour cette application spécifique, ajoute Hautier.

Déjà, le site gratuit compte 5 000 abonnés, dont environ un tiers dans l'industrie. Dans le monde de la science des matériaux, c'est un très grand nombre, dit Ceder. Le résultat net est qu'il est désormais possible de développer des matériaux pour des applications réelles en aussi peu que deux ans, contre 15 à 20 ans avec les méthodes traditionnelles. Nous pensons que nous entrons dans un âge d'or de la conception de matériaux, dit-il.

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