Une révolution en cours dans le domaine des matériaux

Il s'agit d'applications futures tirées de technologies déjà existantes. Mais toute invention un peu audacieuse, sortant des normes ordinaires, se révèle généralement à la pratique inapplicable faute de matériaux adéquats, soit que ceux-ci existent déjà mais sont trop rares et chers, soit qu'ils n'existent pas encore dans la nature. On conçoit que disposer d'une technique permettant de fabriquer facilement et à la demande ces matériaux nouveaux apporterait à l'industrie et à la recherche des perspectives pratiquement inenvisageables aujourd'hui.

Les avantages seraient analogues, dans un tout autre domaine, à ceux apportés par les imprimantes 3D. Elles permettent aujourd'hui de fabriquer un nombre considérable de produits et organes de toutes formes et de toutes natures à partir d'une matière synthétique bon marché, en faisant appel à des programmes préécrits accessibles à faible prix et souvent gratuitement dans des bibliothèques spécialisées.

Mais il est autrement difficile de concevoir de nouveaux matériaux à partir des usages que l'on voudrait leur donner et utilisant des matériaux encore partiellement ou totalement inexistants. Tout matériau est constitué d'un assemblage complexes d'atomes, eux mêmes composés de protons et électrons différents ou organisés différemment d'un matériau à l'autre. Historiquement, ceci s'est fait à grande échelle quand il s'agissait d'utiliser un matériau existant en lui donnant un usage nouveau, par exemple de la pierre pour en faire une arme. Mais les premiers inventeurs du paléolithique auraient été incapables d'imaginer de but en blanc le fer, et moins encore de le produire en quantité suffisante. Ceci n'a été acquis que lentement, à partir de l'attention portée au minerai de fer et à ses premiers usages en métallurgie. Des dizaines de centaines de siècles ont été nécessaires pour passer des âges de la pierre à ceux des métaux.

De nos jours, face à l'augmentation exponentielle des besoins, liés à l'augmentation du nombre des humains, à celle des niveaux de vie et, à l'inverse, face à la raréfaction croissante des ressources naturelles facilement accessibles, il est vital de pouvoir mettre au point en quelques années ou quelques mois des matériaux non exigeants en produits rares et en énergie, non dangereux pour les utilisateurs et l'environnement. Un enjeu considérable, que nous pourrions qualifier de planétaire, s'attache donc à la possibilité de fabriquer de nouveaux matériaux répondant à ces critères.

La Density functional theory (DFT)

Or aujourd'hui il apparaît possible, en utilisant le calcul informatique, de simuler de nouveaux matériaux et de les tester, là encore de façon simulée, afin de vérifier leur adéquation aux finalités poursuivies. Il ne restera plus ensuite, en utilisant les atomes élémentaires identifiés par ces simulations, qu'à les combiner en matières premières nouvelles. L'on s'appuiera pour cela sur les programmes informatiques réalisés par un super-ordinateur, éventuellement accessibles dans des bibliothèques de programmes. On observera à cet occasion qu'il s'agit là d'une nouvelle révolution résultant de l'apparition de tels ordinateurs, s'ajoutant à toutes les autres.

En pratique, ces perspectives demanderont encore beaucoup de travail pour donner des résultats généralisables. Cependant la mécanique quantique découverte au milieu du siècle dernier rend , avec l'aide de l'ordinateur, la démarche accessible. Les propriétés d'un matériau dépendent de la configuration de ses atomes et de la trajectoire des électrons gravitant autour des noyaux. En théorie la fonction d'onde proposée par Erwin Schrödinger permet d'en faire une description, mais celle-ci est purement statistique. Il n'est pas possible d'en tirer des informations permettant de réaliser les atomes et les orbites d'électrons propres au matériau ou au composé chimique précis que l'on veut réaliser.

En 1965 cependant le physicien théoricien Walter Kohn, aujourd'hui à l'Université de Californie, et le chimiste théoricien John Pople, tous deux Prix Nobel de chimie en 1998, proposèrent une méthode pratique pour calculer les propriétés des substances. Ils la nommèrent Density Functional Theory ( DFT). On en trouvera une analyse dans le document joint en référence. Pendant 20 ans, les applications de la DFT restèrent rares, mais à partir de 1989, la combinaison de la DFT avec les théories de la « dynamique moléculaire » offrirent de nombreuses perspectives. Aujourd'hui un grand nombre de publications sur ce thème sont publiées par de jeunes chercheurs.

Les avancées considérables obtenues depuis 2000 résultent principalement, comme indiqué ci-dessus, d'un appel intensif à l'ordinateur. En pratique, il fallu cependant un financement important fourni par la firme Procter and Gamble en 2005 aux deux chercheurs Persson et Ceder afin qu'ils réalisent une cathode améliorée pour les batteries Duracell de l'industriel. En utilisant un super-ordinateur analysèrent 130.000 matériaux existants ou imaginaires et en trouvèrent 300 qui répondaient aux spécifications demandées.

Le Materials project

S'appuyant sur ce premier succès, Persson et Ceder présentèrent en 2010 un « Materials génome project » devenu « Materials project. De même que dans le même temps se développaient en biologie les banques de génomes, ils proposèrent de réaliser une banque de données rassemblant les résultats de toutes les recherches réalisées en « génomique » des matériaux intéressant des substances réelles ou virtuelles.

Le Materials project a été rapidement soutenu par le gouvernement fédéral américain, dans des buts tant civiles que militaires et spatiaux. La Maison Blanche a coordonné et financé une Materials Genome Initiative qui reprend et étend la démarche à de nombreux autres secteurs.

Pour diversifier le champ des recherches fondamentales, une équipe de chercheurs réunis autour de Persson et Ceder ont abordé le domaine bien plus complexe de ce qu'ils nomment les propriétés élastiques des composés cristallins inorganiques. Il s'agit de mesurer la façon dont, dans un matériau donné, les atomes se déplacent en relation les uns avec les autres, afin de faire des prédictions relatives à des propriétés intéressantes jusqu'ici non étudiées. La nouvelle base de données en résultant intéresse désormais 1.200 composants. Son utilisation est entièrement automatisée.

Une des applications intéressantes de ces calculs permet de prévoir l'aptitude d'un matériau à conduire la chaleur. Il s'agit de mesurer l'effet dit thermoélectrique gràce auquel des matériaux chauffés produisent de l'électricité. Ainsi une voiture mixte moteur classique-moteur électrique pourrait recharger sa batterie en utilisant la chaleur des gaz d'échappement. De nombreuses applications dans des domaines plus intéressants au plan stratégique sont actuellement envisageables, par exemple en ce qui concerne les satellites et sondes spatiales.

Les recherches permettent aussi de remplacer dans un produit donné des composants rares par des assemblages de composants plus répandus. L'équipe a récemment présenté une substance constituée de thulium, argent et tellurium. A partir de ce premier résultat, les chercheurs ont en manipulant les atomes remplacé le thulium, produit rare, par de l'yttrum, beaucoup plus commun. Le nouveau composé est par ailleurs plus performant en matiière thermoélectrique que le précédent.

Nous sommes là dans le domaine des Terres rares, devenant de plus en plus raes aujourd'hui, et quasi monopole actuellement de la Chine. Mais l'exemple montre comment les nouvelles recherches pourront permettre de mettre au point de nouveaux matériaux aux performances bien supérieures à celles des matériaux existants sur la Terre. Les Chinois au reste ne sont pas les moins intéressés par de telles domaines émergents.

Nous n'avons pas ici le temps d'étudier la participation éventuelle de laboratoires ou entreprises européennes à ces développements. Disons seulement que nous n'en avons pas entendu parler. Ce serait grave si l'Europe manquait ce tournant vers ce qu'il faut bien appeler un nouveau siècle technologique.

Références

* Nature Mars 2015 Charting the complete elastic properties of inorganic crystalline compounds
http://www.nature.com/articles/sdata20159

Abstract

The elastic constant tensor of an inorganic compound provides a complete description of the response of the material to external stresses in the elastic limit. It thus provides fundamental insight into the nature of the bonding in the material, and it is known to correlate with many mechanical properties. Despite the importance of the elastic constant tensor, it has been measured for a very small fraction of all known inorganic compounds, a situation that limits the ability of materials scientists to develop new materials with targeted mechanical responses. To address this deficiency, we present here the largest database of calculated elastic properties for inorganic compounds to date. The database currently contains full elastic information for 1,181 inorganic compounds, and this number is growing steadily. The methods used to develop the database are described, as are results of tests that establish the accuracy of the data. In addition, we document the database format and describe the different ways it can be accessed and analyzed in efforts related to materials discovery and design.

* Density functional theory : Its origins, rise to prominence, and future, R. ?O. Jones ; Rev. Mod. Phys. 87, 897 – Published 25 August 2015 http://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.87.897

* Molecular dynamics. Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_dynamics

* Materials project
https://www.materialsproject.org/

* Materials Genome Initiative
https://www.whitehouse.gov/mgi

* Voir aussi Welcome to the everything factory New Scientist 26 sept. 2015 p.41 (sur abonnement) https://www.newscientist.com/article/mg22730400-800-wonder-stuff-making-every-material-youve-never-heard-of/