Les grands chimistes ont découvert des moyens de combiner le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote pour créer toutes sortes de plastiques : emballages alimentaires étanches, pièces de voiture résistantes à la chaleur, équipements de protection personnelle durables… la liste est longue.
Le véritable défi pour un scientifique des matériaux au 21ème siècle est de trouver la recette parfaite pour rendre les polymères plus durables et plus performants en même temps – surtout si vous n’avez que des produits pétrochimiques à disposition.
Le défi de la durabilité et de la performance
« Le pétrole est essentiellement composé d’hydrocarbures – essentiellement des arrangements de carbone et d’hydrogène chimiquement liés ensemble qui ont des propriétés assez remarquables et avantageuses », a commenté Brandon Knott, scientifique au Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL). « Mais les hydrocarbures manquent d’hétéro-atomes comme l’oxygène et l’azote, et il peut nécessiter une énergie significative pour les ajouter lors de la fabrication de polymères nécessitant une fonctionnalité plus large que ce que les hydrocarbures fournissent. »
Une bonne solution, explique Brandon Knott, est d’ajouter de la biomasse et des déchets riches en oxygène et en azote à la liste des ingrédients. Les tiges de maïs, les algues et même les déchets contiennent des liaisons chimiques supplémentaires qui offrent souvent aux chimistes une plus grande flexibilité pour atteindre des propriétés spécifiques.
Mais où trouver cette recette parfaite pour la durabilité et une performance inégalée ? Un outil d’apprentissage machine du NREL, PolyID : Polymer Inverse Design™, facilite l’équilibre.
PolyID : un outil d’apprentissage machine
Utilisant l’intelligence artificielle, l’outil peut prédire les propriétés des matériaux en fonction de leur structure moléculaire. Cela lui permet de passer en revue des millions de conceptions de polymères possibles pour créer une liste restreinte de candidats pour une application donnée.
Créé avec le soutien du Bureau des technologies bioénergétiques du département de l’énergie des États-Unis, l’outil est discuté en profondeur dans un article de Macromolecules.
Un algorithme intelligent
L’algorithme derrière PolyID est une avancée de pointe d’une approche fondamentale connue sous le nom de «théorie de la contribution de groupe».
L’outil établit des associations entre les arrangements d’oxygène, d’hydrogène, de carbone et d’autres éléments et les propriétés des matériaux pour prédire des attributs tels que l’élasticité, la tolérance à la chaleur et la performance des joints.
Avec une bibliothèque croissante de connexions entre les structures moléculaires des polymères et leurs propriétés connues, il « apprend » à prédire comment de nouveaux polymères pourraient être conçus pour atteindre des caractéristiques physiques spécifiques.
Principaux enseignements
| Critères | Détails |
|---|---|
| PolyID | Un outil d’apprentissage machine qui prédit les propriétés des matériaux en fonction de leur structure moléculaire. |
| Algorithme | Basé sur la « théorie de la contribution de groupe », il établit des associations entre les arrangements d’éléments et les propriétés des matériaux. |
| Avantages | Permet aux scientifiques de travailler à rebours lorsqu’ils recherchent de nouvelles conceptions de polymères. |
| Résultats | A permis de passer en revue plus de 15 000 polymères à base de plantes à la recherche d’alternatives biodégradables aux films d’emballage alimentaire. |
| Impact | Aide à prioriser la durabilité dans la conception de nouveaux polymères. |
En synthèse
Les outils comme PolyID permettent aux scientifiques de travailler à rebours lorsqu’ils recherchent de nouvelles conceptions de polymères. Ils peuvent identifier d’abord les propriétés souhaitées et sélectionner les conceptions de polymères potentielles.
Par exemple, les scientifiques du NREL ont utilisé PolyID pour passer rapidement en revue plus de 15 000 polymères à base de plantes à la recherche d’alternatives biodégradables aux films d’emballage alimentaire d’aujourd’hui. Les films d’emballage sont principalement fabriqués à partir de polyéthylène haute densité, un matériau à base de pétrole, conçus pour résister à des températures élevées et créer un joint de vapeur solide pour garder les aliments frais.
L’équipe du NREL a priorisé ces propriétés dans PolyID, tout en ajoutant d’autres attributs souhaitables, notamment la biodégradabilité et une empreinte de gaz à effet de serre plus faible. L’outil a généré une liste restreinte de sept conceptions de polymères qui pourraient être fabriquées à partir de biomasse.
Après des tests supplémentaires en laboratoire, l’équipe a confirmé les prédictions de l’outil. Non seulement tous les sept polymères résisteraient à des températures élevées, mais ils pourraient également le faire tout en réduisant les émissions nettes de gaz à effet de serre et en gardant les aliments frais plus longtemps.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que PolyID ?
PolyID est un outil d’apprentissage machine développé par le National Renewable Energy Laboratory (NREL) qui prédit les propriétés des matériaux en fonction de leur structure moléculaire. Il permet de passer en revue des millions de conceptions de polymères possibles pour créer une liste restreinte de candidats pour une application donnée.
Comment fonctionne l’algorithme de PolyID ?
L’algorithme de PolyID est basé sur la «théorie de la contribution de groupe». Il établit des associations entre les arrangements d’oxygène, d’hydrogène, de carbone et d’autres éléments et les propriétés des matériaux pour prédire des attributs tels que l’élasticité, la tolérance à la chaleur et la performance des joints.
Quels sont les avantages de l’utilisation de PolyID ?
PolyID permet aux scientifiques de travailler à rebours lorsqu’ils recherchent de nouvelles conceptions de polymères. Ils peuvent identifier d’abord les propriétés souhaitées et sélectionner les conceptions de polymères potentielles. Cela facilite la recherche de solutions durables et performantes.
Quels sont les résultats obtenus avec PolyID ?
Les scientifiques du NREL ont utilisé PolyID pour passer rapidement en revue plus de 15 000 polymères à base de plantes à la recherche d’alternatives biodégradables aux films d’emballage alimentaire d’aujourd’hui. L’outil a généré une liste restreinte de sept conceptions de polymères qui pourraient être fabriquées à partir de biomasse.
Quel est l’impact de PolyID sur la durabilité ?
PolyID aide à prioriser la durabilité dans la conception de nouveaux polymères. Il permet de positionner la performance à côté d’une multitude d’autres considérations de durabilité, aidant ainsi à réduire les déchets, promouvoir le recyclage et réduire l’empreinte carbone.
Article de Macromolecules, National Renewable Energy Laboratory (NREL), U.S. Department of Energy Bioenergy Technologies Office
Légende illustration principale : Les scientifiques du NREL utilisent un outil d’apprentissage automatique pour découvrir des modèles de polymères innovants, comme ce nouveau polymère caoutchouteux fabriqué à partir de la biomasse. Photo de Dennis Schroeder, NREL
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