Il faut des années et des années de recherche pour découvrir les propriétés d’un nouveau matériau. Grâce à un modèle informatique qui prédit les propriétés utiles, un laboratoire virtuel va simplifier la recherche.
C’est en 1929 que le grand théoricien Paul Dirac a revendiqué que la théorie mathématique de la chimie est « complètement connue », une déclaration qui semblait rendre inévitable le fait que les chimistes allaient abandonner leurs éprouvettes au profit des simples calculs mathématiques sur les substances en utilisant ses formules sur la mécanique quantique. Cette théorie n’étant justement qu’une théorie, il s’est rapidement avéré que cette vision était tout simplement irréaliste avec les moyens de l’époque.
Il aura fallu attendre de nombreuses années, jusqu’à la semaine dernière, pour qu’une équipe de l’University College de Londres (UCL) dirigée par le Prof Peter Coveney publie dans le journal Advanced Materials la conception d’un « laboratoire virtuel » permettant de calculer les propriétés des matériaux complexes basées sur la connaissance de leur structure moléculaire et les conditions de transformation. Cette avancée ouvre une nouvelle voie dans la recherche de matériaux et rejoignant enfin la théorie de Paul Dirac.
La difficulté de la théorie originale de Paul Dirac résidait dans la taille astronomique du calcul quantique nécessaire à représenter ce qui se passe lors de la réaction de 1 000 000 000 000 000 000 000 000 molécules dans un laps de temps de l’ordre du millième de milliardième de seconde (une femtoseconde). « Il faudrait faire plus de 10 milliards des calculs par petits pas, moins d’une femtoseconde, pour aboutir au régime de la microseconde qui prévaut actuellement dans la chimie actuelle », explique le Prof Coveney. « Il faudrait des années pour réaliser cela, personne ne vous donnera un supercalculateur pour si longtemps. […] En outre, les superordinateurs permettent de travailler d’une manière plus large, pas plus rapide, ce qui permet de modéliser de grandes dalles de matière, pendant moins longtemps ». Cela implique un surprenant constat : « Nous ne pouvons pas travailler de manière convaincante sur le point d’ébullition de l’eau et les autres propriétés de base émergent du comportement de ses innombrables molécules en raison de la mécanique quantique ».
L’équipe du Prof Peter Coveney a pourtant réussi à montrer qu’il est possible de calculer les propriétés d’un matériau à l’aide de superordinateurs et d’extrapoler à partir du domaine quantique des comportements chimiques. Pour ce faire, elle s’est focalisée sur les argiles et polymères composites, des matériaux qui sont utilisés depuis la fin des années 80 pour produire des matériaux aux propriétés supérieures à l’intention des industries automobile, aéronautique ou autres.
L’équipe de l’UCL a découvert un moyen de simuler les propriétés de ces matériaux composites, en commençant par leurs électrons, pour capturer la manière dont le polymère interagit avec l’argile, puis à travers le mouvement de leurs atomes généralisé au comportement de millions d’atomes. Les comparaisons entre les caractéristiques déterminées virtuellement et celles obtenues en laboratoire réel prouvent que leur découverte est cohérente.
Grâce à cette découverte, il sera désormais possible d’accélérer le développement de nouveaux matériaux.