Quel est le lien entre la poudre à laver, le caoutchouc des pneus de voiture et le paracétamol ? Ces produits du quotidien sont le fruit de réactions chimiques complexes, rendues possibles grâce à la catalyse. Découvrons ensemble comment la simulation informatique et l’apprentissage automatique pourraient révolutionner ce domaine essentiel de la chimie.
La catalyse, un processus clé dans la production de matériaux
La plupart des matériaux que nous utilisons quotidiennement, comme le plastique de nos claviers, sont produits à partir de matières premières transformées par des réactions chimiques. Ces réactions nécessitent de franchir une barrière énergétique, appelée énergie d’activation. C’est là qu’intervient un catalyseur, qui facilite la réaction en abaissant cette énergie d’activation.
La catalyse est donc au cœur de la production de presque tous les produits chimiques, y compris ceux qui pourraient être nécessaires pour une transition énergétique durable. Par exemple, la production d’hydrogène écologique à grande échelle pourrait un jour être possible grâce à l’énergie solaire. Cependant, la production d’hydrogène nécessite actuellement des métaux nobles, comme le platine, qui sont coûteux et rares.
Simulations informatiques pour une meilleure compréhension
Face à ce défi, les chercheurs cherchent des alternatives efficaces et abordables. Pour cela, une compréhension approfondie des événements qui se produisent à l’échelle nanométrique lors d’une réaction catalytique est essentielle. C’est là qu’intervient l’équipe de Georg Kresse, professeur de physique des matériaux computationnels à l’Université de Vienne.
« Nous simulons les différentes étapes d’une réaction catalysée sur ordinateur pour essayer de comprendre la catalyse de bout en bout », explique Georg Kresse. Si les chercheurs pouvaient prédire avec précision le comportement des matériaux grâce à des simulations informatiques, ils pourraient développer et améliorer des catalyseurs adaptés. Cela ouvrirait d’énormes possibilités d’innovation dans la recherche et l’industrie.
Collaboration étroite pour la transition énergétique
Comprendre les processus qui se produisent à la surface des matériaux est essentiel, selon Georg Kresse. Pour produire de l’hydrogène, les molécules d’eau sont divisées lors d’un processus appelé électrolyse. L’objectif est de comprendre ce qui se passe à l’interface entre l’électrode et l’eau pendant la réaction. « Nous voulons analyser les processus atomiques en détail et utiliser ces connaissances pour améliorer les électrodes », explique le chercheur.
La collaboration est cruciale à cette interface entre théorie et pratique. L’équipe est en mesure de fournir des informations théoriques précieuses pour les chercheurs qui expérimentent des matériaux catalytiques. « En simulant en détail comment une réaction se déroule sur le catalyseur, nos collègues peuvent utiliser ces informations pour modifier les paramètres de manière ciblée et optimiser leurs expériences », ajoute t-il.
L’équation de Schrödinger : aucun obstacle n’est insurmontable
Le point de départ des simulations est l’équation de Schrödinger, la formule la plus connue de la mécanique quantique. « Pour nous, l’équation de Schrödinger est une sorte de théorie du tout. Elle décrit tout ce que nous voyons et vivons. Même les caractéristiques de presque tous les matériaux », dit en substance Georg Kresse.
Cependant, lorsque de nombreuses particules sont impliquées, comme dans toute application pratique, il est impossible de résoudre l’équation avec précision. Même avec le superordinateur le plus rapide. Mais un équation insoluble n’est pas un obstacle pour un physicien théorique. Grâce à des processus de calcul spéciaux, ils sont capables d’approximer la solution d’une équation de Schrödinger.
L’apprentissage automatique comme facteur de changement
Malgré le matériel de pointe, la puissance de calcul disponible reste limitée. Les récents développements dans le domaine de l’apprentissage automatique donnent de l’espoir. « L’apprentissage automatique a déclenché une révolution. Par rapport à il y a quelques années, nous sommes maintenant capables de calculer les étapes individuelles de nos simulations plusieurs ordres de grandeur plus rapidement. Il pourrait bientôt être possible de comprendre réellement un processus catalytique. Et donc, également d’améliorer les matériaux que nous utilisons comme catalyseurs ou électrodes. Je pense que nous sommes plus proches de notre objectif que jamais auparavant. » conclut Georg Kress.
Recherche sur les systèmes de stockage d’énergie du futur
À l’ère des énergies renouvelables, la question du stockage de l’énergie est essentielle. L’énergie éolienne et l’énergie solaire ont un défaut : elles ne sont pas disponibles en permanence. Nous avons donc besoin de moyens pour stocker l’énergie et la rendre à nouveau disponible par temps calme ou la nuit. Les batteries et les centrales de stockage d’énergie hydroélectrique par pompage ne suffiront pas à répondre à nos besoins. Les groupes de recherche impliqués dans le pôle d’excellence “Matériaux pour la conversion et le stockage de l’énergie” se concentrent sur ce défi.
Ils développent des approches innovantes pour stocker l’énergie dans les liaisons chimiques : l’électro-catalyse et la photocatalyse. L’électro-catalyse utilise l’électricité verte pour convertir électro-chimiquement l’eau et le CO2 en hydrogène, en carburants synthétiques et en produits chimiques fins. La photocatalyse utilise directement la lumière du soleil pour effectuer des conversions chimiques, à l’instar des plantes lors de la photosynthèse.
Dans le cadre du programme de recherche spécial TACO (TAming COmplexity in Materials Modeling) de l’université de Vienne et de la TU Vienna, des scientifiques théoriciens et expérimentateurs issus des domaines de la chimie, de la physique et de l’ingénierie des procédés étudient les processus fondamentaux qui se déroulent dans les matériaux complexes.
En synthèse
La catalyse joue un rôle crucial dans la production de nombreux produits chimiques et matériaux que nous utilisons quotidiennement. Les recherches menées par des scientifiques visent à comprendre en détail les processus de catalyse, afin de développer des catalyseurs plus efficaces et abordables. Grâce à des simulations informatiques et à l’apprentissage automatique, nous pourrions être à l’aube d’une nouvelle ère dans le domaine de la catalyse, avec des implications majeures pour la recherche, l’industrie et la transition énergétique.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la catalyse ?
La catalyse est un processus qui facilite une réaction chimique en abaissant l’énergie d’activation nécessaire. Les catalyseurs sont essentiels à la production de nombreux produits chimiques et matériaux que nous utilisons quotidiennement.
Pourquoi la catalyse est-elle importante pour la transition énergétique ?
La catalyse pourrait jouer un rôle clé dans la production d’hydrogène écologique à grande échelle, un élément essentiel de la transition énergétique. Cependant, la production d’hydrogène nécessite actuellement des métaux nobles coûteux et rares, comme le platine.
Comment les simulations informatiques peuvent-elles aider à comprendre la catalyse ?
Les simulations informatiques permettent aux chercheurs de modéliser les différentes étapes d’une réaction catalysée, offrant une compréhension approfondie des processus atomiques impliqués. Cela pourrait aider à développer des catalyseurs plus efficaces et abordables.
Qu’est-ce que l’équation de Schrödinger et comment est-elle liée à la catalyse ?
L’équation de Schrödinger est une formule clé de la mécanique quantique qui décrit le comportement des particules dans un système quantique. Elle est utilisée dans les simulations informatiques pour prédire le comportement des particules lors d’une réaction catalysée.
Quel est le rôle de l’apprentissage automatique dans la recherche sur la catalyse ?
L’apprentissage automatique peut aider à accélérer les simulations informatiques de la catalyse, permettant aux chercheurs de comprendre et d’améliorer les processus catalytiques plus rapidement et plus efficacement qu’auparavant.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| La catalyse est essentielle à la production de nombreux produits chimiques et matériaux. |
| La catalyse pourrait jouer un rôle clé dans la production d’hydrogène écologique à grande échelle. |
| Les simulations informatiques offrent une compréhension approfondie des processus atomiques impliqués dans la catalyse. |
| L’équation de Schrödinger est utilisée pour prédire le comportement des particules lors d’une réaction catalysée. |
| L’apprentissage automatique peut accélérer les simulations informatiques de la catalyse. |
| La production d’hydrogène nécessite actuellement des métaux nobles coûteux et rares, comme le platine. |
| Les chercheurs cherchent des alternatives efficaces et abordables au platine pour la catalyse. |
| La collaboration entre théoriciens et expérimentateurs est cruciale pour faire progresser la recherche sur la catalyse. |
| L’équipe de Georg Kresse à l’Université de Vienne joue un rôle clé dans la recherche sur la catalyse. |
| L’apprentissage automatique a permis d’accélérer les simulations de catalyse de plusieurs ordres de grandeur. |
Références
Légende illustration principale : L’équation de Schrödinger n’est pas seulement l’une des formules les plus importantes de la physique quantique. Les physiciens de l’université de Vienne, sous la direction du professeur Georg Kresse, l’utilisent pour prédire le comportement des matériaux et les optimiser pour l’ingénierie des processus chimiques. Pour ce faire, ils ont recours à des simulations informatiques sur des ordinateurs à haute performance. Crédit : Andreia Rocha
[ Rédaction ]
