Des scientifiques de l'Université de Southampton travaillant avec des collègues de l'Université de Liverpool ont développé une nouvelle méthode qui a le potentiel de révolutionner la façon dont nous recherchons, concevoir et produire de nouveaux matériaux.

Les chercheurs ont utilisé une modélisation informatique sophistiquée pour cartographier comment les molécules s'assemblent et se cristallisent pour former de nouveaux matériaux - chaque molécule menant à une myriade de structures possibles, chacun avec des propriétés différentes et des applications possibles.

Cette nouvelle approche, publié dans la revue La nature , pourrait accélérer la découverte de matériaux pour des applications clés dans l'énergie, contrôle de la pollution, pharmaceutiques et une foule d'autres domaines.

"Quand un ingénieur construit un barrage ou un avion, la structure est d'abord conçue à l'aide d'ordinateurs. Ceci est extrêmement difficile à l'échelle de taille des molécules ou des atomes, qui s'assemblent souvent de manière non intuitive, " explique Graeme Day, professeur de modélisation chimique à l'Université de Southampton. "Il est difficile de concevoir à l'échelle atomique à partir de zéro et le taux d'échec dans la découverte de nouveaux matériaux est élevé. En tant que chimistes et physiciens essayant de découvrir de nouveaux matériaux, nous nous sentons souvent comme des explorateurs sans cartes fiables."

Professeur Andrew Cooper, Directeur de la Materials Innovation Factory à l'Université de Liverpool, poursuit :« Chaque molécule a une surface énergétique associée, que vous pouvez considérer comme la carte d'une île déserte. Certaines îles contiennent des trésors sous forme de nouveaux matériaux utiles, mais la plupart ne le font pas. Il y a un nombre presque illimité de molécules que nous pourrions, en principe, make - cette nouvelle méthode nous indique quelles îles rechercher et quoi rechercher."

Contrairement aux ingénieurs, les chimistes ne sont pas vraiment libres de créer la structure qu'ils veulent :ils se limitent à découvrir des structures qui correspondent aux positions optimisées des atomes - appelées minima locaux - sur une surface énergétique très complexe. Cette surface ne peut être pleinement représentée que dans de nombreuses dimensions, ne peut donc pas être facilement conceptualisé.

Cependant, l'équipe britannique a combiné des méthodes qui prédisent comment les molécules formeront des structures cristallines, avec des simulations informatiques qui prédisent les propriétés de ces structures. Le résultat est des cartes à code couleur relativement simples qui peuvent être utilisées, par des chercheurs sans formation en informatique, pour localiser les meilleurs matériaux pour des applications spécifiques. Par exemple, un chercheur essayant de créer un matériau hautement poreux pour stocker un gaz particulier pourrait utiliser la carte pour identifier les meilleures molécules qui optimisent cette propriété.

Dans les simulations mises en évidence dans leur article, les chercheurs ont appliqué cette nouvelle approche à une série de molécules connues et hypothétiques, qui a conduit à la découverte et à la synthèse de matériaux à grandes capacités de stockage de méthane, qui a des ramifications pour les véhicules fonctionnant au gaz naturel. La recherche a également conduit à la synthèse du cristal moléculaire le moins dense jamais créé, montrant comment les méthodes de calcul peuvent être utilisées pour découvrir des propriétés sans précédent.