Un algorithme mathématique décrypte la structure de tous les matériaux

L’Université de Liverpool a franchi un nouveau pas important dans l’étude des matériaux indispensables pour une transition efficace vers une réalité durable et sans émissions. Cette progression, fruit d’un algorithme spécialement conçu, inaugure une nouvelle dimension dans la prédiction et la conception des matériaux, qui pourraient radicalement modifier notre futur.

Prédiction des structures matérielles grâce à un algorithme

Publiée dans la revue Nature, l’étude démontre qu’un algorithme mathématique est capable de prédire la structure de n’importe quel matériau en se basant uniquement sur la connaissance des atomes qui le composent.

Créé par une équipe interdisciplinaire de chercheurs des départements de chimie et d’informatique de l’Université de Liverpool, cet algorithme évalue systématiquement des ensembles complets de structures possibles simultanément, plutôt que de les considérer individuellement. Cela permet d’accélérer l’identification de la solution correcte.

Potentiel des ordinateurs quantiques dans la recherche

Cette avancée technologique rend possible l’identification de matériaux pouvant être conçus et, dans de nombreux cas, permet de prédire leurs propriétés. Cette nouvelle méthode a été démontrée sur des ordinateurs quantiques, qui ont le potentiel de résoudre de nombreux problèmes plus rapidement que les ordinateurs classiques, accélérant ainsi davantage les calculs.

Relever le défi de la neutralité carbone

Notre mode de vie dépend des matériaux – « tout est fait de quelque chose. De nouveaux matériaux sont nécessaires pour relever le défi de la neutralité carbone, allant des batteries et des capteurs solaires pour une énergie propre, à l’informatique à faible consommation et aux catalyseurs qui permettront de produire les polymères et produits chimiques propres de notre futur durable.

La recherche de ces matériaux est lente et difficile en raison des nombreuses façons dont les atomes peuvent être combinés pour former des matériaux, et en particulier les nombreuses structures qui pourraient se former. De plus, les matériaux aux propriétés transformatrices sont susceptibles d’avoir des structures différentes de celles connues aujourd’hui. Prédire une structure dont rien n’est connu représente un énorme défi scientifique.

Le mot des experts

Le professeur Matt Rosseinsky, du département de chimie et de la Materials Innovation Factory de l’université, a déclaré : « Avoir la certitude de la prédiction des structures cristallines offre maintenant l’opportunité d’identifier, parmi l’ensemble de la chimie, quels matériaux peuvent être synthétisés et les structures qu’ils adopteront, nous donnant pour la première fois la capacité de définir la plateforme pour les technologies futures.« 

Le professeur Paul Spirakis, du département d’informatique de l’université, a ajouté : « Nous avons réussi à fournirun algorithme général pour la prédiction de la structure cristalline qui peut être appliqué à diverses structures. Coupler la minimisation locale à la programmation entière nous a permis d’explorer les positions atomiques inconnues dans l’espace continu en utilisant des méthodes d’optimisation puissantes dans un espace discret.« 

En synthèse

Cette recherche marque une étape cruciale dans le développement de nouvelles technologies de matériaux durables. L’algorithme développé offre un potentiel immense pour l’identification et la prédiction des structures matérielles, optimisant ainsi la recherche et l’innovation.

Pour une meilleure compréhension

Quels apports dans la conception de nouveaux matériaux ?

Cette recherche introduit un algorithme qui peut prédire la structure de n’importe quel matériau en se basant uniquement sur les atomes qui le composent, accélérant ainsi l’identification de nouvelles structures matérielles.

Quel est le rôle des ordinateurs quantiques dans cette recherche ?

Les ordinateurs quantiques ont été utilisés pour démontrer cette nouvelle méthode, car ils ont la capacité de résoudre de nombreux problèmes plus rapidement que les ordinateurs classiques, ce qui peut accélérer davantage les calculs.

Quels sont les défis rencontrés dans la recherche de nouveaux matériaux ?

La recherche est lente et complexe en raison du nombre de façons dont les atomes peuvent être combinés pour former des matériaux, et des nombreuses structures possibles. De plus, prédire des structures inconnues reste un défi scientifique majeur.

L’article intitulé « Optimality Guarantees for Crystal Structure Prediction » (doi:10.1038/s41586-023-06071-y) est publié dans la revue Nature.

L’équipe de recherche comprend des chercheurs des départements d’informatique et de chimie de l’université de Liverpool, de la Materials Innovation Factory et du Leverhulme Research Centre for Functional Materials Design, qui a été créé pour développer de nouvelles approches de la conception de matériaux fonctionnels à l’échelle atomique par le biais d’une recherche interdisciplinaire.

Légende illustration principale : La structure atomistique du matériau cristallin qu’est le grenat correspond au cratère de la surface d’énergie potentielle, pleine de montagnes, de collines et de vallées rugueuses. Il est très difficile de la trouver par calcul, mais en fixant une maille sur cette surface, des algorithmes avancés et des ordinateurs quantiques peuvent être utilisés pour trouver le sommet le plus bas. Une mise au point ultérieure révèle la structure en grenat, qui s’accompagne d’une garantie d’optimalité. Crédit : Université Liverpool