Comment fabriquer de nouveaux matériaux ?

Notre capacité à concevoir de nouveaux objets dépend beaucoup de notre capacité à trouver des ressources (minerais, énergies, matières premières…) adaptées, explique le New Scientist. Or, l’absence de ces ressources explique beaucoup des échecs des technologies que nous imaginons. Le développement de trains à sustentation magnétique dépend par exemple beaucoup de la disponibilité d’un matériau capable de conduire l’électricité tout en offrant une résistance nulle à la température ambiante. Sans un tel supraconducteur, les trains à sustentation magnétique nécessitent beaucoup d’énergie… Concevoir des panneaux solaires efficaces et à bas prix exigent des substances capables de convertir facilement d’énormes quantités de lumière en électricité, ce que nos panneaux solaires actuels sont bien loin de réaliser. Les ampoules à faible consommation d’énergie fonctionnent assez bien, mais reposent sur des éléments rares et coûteux.

Ces ressources reposent sur des combinaisons de minerais, d’éléments, de matières premières dont nous cherchons toujours le meilleur assemblage. Reste que cette recherche prend du temps, et que ses succès ne sont jamais garantis.

D’où l’idée d’utiliser la conception assistée par ordinateur pour nous aider à mieux construire les assemblages de matériaux de demain. Les capacités de calculs de nos ordinateurs peuvent-elles nous aider à concevoir un hypermarché de matériaux qui ne sont pas encore inventés ?

Longtemps, les découvertes ont été le fruit d’heureux hasards, rappelle l’article du New Scientist, jusqu’à ce qu’on connaisse mieux les propriétés des éléments (dureté, conductivité électrique, résistance, etc.). Si on savait cartographier le comportement de tous les électrons d’un matériel, nous pourrions connaître ses propriétés, même s’il n’existe pas. Mais ce n’est pas si simple à calculer, notamment parce que chaque électron influe sur le comportement de tous les autres, ce qui signifie que leurs propriétés doivent être calculées simultanément. Depuis les années 2000, les progrès dans la puissance de calcul ont permis d’accélérer les simulations dans le domaine des matériaux. En 2005, Procter & Gamble, à la recherche d’une cathode améliorée pour leurs piles Duracell a utilisé des superordinateurs pour examiner 130 000 composants et en trouver quelques 200 permettant effectivement d’améliorer le stockage énergétique des piles.

MaterialsProject

Les chimistes Kristin Persson et Gerbrand Ceder à l’origine de cette percée ont alors lancé en 2010 le projet génomique des matériaux : une base de données des propriétés des matériaux, lourdement financés. L’équipe a calculé l’ensemble des propriétés de bases de quelque 58 000 composés et a commencé à s’intéresser à des défis plus épineux, par exemple un ensemble de données sur les propriétés élastiques de quelque 1200 composés inorganiques, permettant non seulement de calculer leur élasticité, mais aussi de prédire la capacité d’un matériel à conduire la chaleur. Les chercheurs du projet ont publié récemment une classe inconnue de matériaux thermoélectriques, qui produisent de l’électricité quand ils s’échauffent, qui pourraient potentiellement permettre, par exemple, d’avoir des voitures qui se rechargent en capturant la chaleur des gaz d’échappement. L’équipe a ensuite construit un composé à base de thulium, d’argent et de tellure, aux propriétés thermoélectriques modestes, et assez proche du tellurure de bismuth, qui est l’un des plus connus des agents thermoélectriques (qui est un composé coûteux et qui dégage des fumées toxiques quand il devient trop chaud). Le thulium est un matériau très rare, mais l’enjeu était surtout de démontrer le principe directeur du projet. Ils ont depuis remplacé le thulium par l’yttrium, un composé un peu plus disponible qui a permis de doubler l’effet thermoélectrique.

Pour Alex King, directeur de l’Institut des matériaux critiques, “l’initiative du génome des matériaux créé des outils et des méthodes qui aident à éviter les impasses”. Le projet génomique des matériaux a permis d’autres découvertes, comme un supraconducteur potentiellement plus efficace pour la sustentation magnétique, explique encore le New Scientist. Il permet également aux chercheurs de soumettre un composé au calcul ou de saisir des qualités et caractéristiques pour trouver des composés qui pourraient y correspondre. Assurément, la base génomique des matériaux est peut-être la clef de leur optimisation… pour autant que nous sachions les exploiter sans les faire complètement disparaître.

Hubert Guillaud

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