Les matériaux classés comme « nanoporeux » ont des structures (ou « charpentes ») avec des pores jusqu'à 100 nm de diamètre. Il s'agit notamment de divers matériaux utilisés dans différents domaines de la séparation des gaz, catalyse, et même des médicaments (par exemple du charbon actif). Les performances des matériaux nanoporeux dépendent à la fois de leur composition chimique et de la forme de leurs pores, mais ce dernier est très difficile à quantifier. Jusque là, les chimistes se fient à une inspection visuelle pour voir si deux matériaux ont des pores similaires. scientifiques de l'EPFL, dans le cadre du PRN-MARVEL, ont maintenant développé une méthode mathématique innovante qui permet à un ordinateur de quantifier la similarité des structures des pores. La méthode permet de rechercher des bases de données avec des centaines de milliers de matériaux nanoporeux pour découvrir de nouveaux matériaux avec la bonne structure de pores. L'ouvrage est publié dans Communication Nature .

La recherche de matériaux nanoporeux

Les matériaux nanoporeux constituent une large catégorie et peuvent différer considérablement dans leur composition chimique. Ce qui les unit, c'est la présence de pores de taille nanométrique dans leur structure tridimensionnelle, ce qui leur confère des propriétés catalytiques et d'absorption. Ces pores peuvent aller de 0,2 à 1000 nanomètres, et leur taille et leur forme (leur « géométrie ») peuvent avoir un effet décisif sur les propriétés du matériau. En réalité, la forme des pores est un prédicteur de performance aussi important que la composition chimique.

Aujourd'hui, les ordinateurs peuvent générer de grandes bases de données de matériaux potentiels et déterminer, avant d'avoir à les synthétiser, quels matériaux fonctionneraient le mieux pour une application donnée. Mais leur chimie est si polyvalente que le nombre de nouveaux matériaux possibles est presque illimité, alors que nous n'avons pas de méthode pour quantifier et comparer la similarité entre les géométries de pores. Tout cela signifie qu'il est difficile de trouver le meilleur matériau nanoporeux pour une application donnée.

Les maths à la rescousse

Une nouvelle méthode développée en collaboration avec les laboratoires de Berend Smit et Kathryn Hess Bellwald à l'EPFL utilise une technique issue des mathématiques appliquées appelée "homologie persistante". Cette technique peut quantifier la similitude géométrique des structures de pores en adoptant les outils mathématiques couramment utilisés par Facebook et d'autres pour trouver des visages similaires dans les photos téléchargées.

La méthode d'homologie persistante produit des "empreintes digitales", représenté par des codes-barres, qui caractérisent les formes de pores de chaque matériau dans la base de données. Ces empreintes digitales sont ensuite comparées pour calculer à quel point les formes de pores de deux matériaux sont similaires. Cela signifie que cette approche peut être utilisée pour filtrer des bases de données et identifier des matériaux ayant des structures de pores similaires.

Les scientifiques de l'EPFL montrent que la nouvelle méthode est efficace pour identifier des matériaux avec des géométries de pores similaires. Une classe de matériaux nanoporeux qui bénéficierait de cette innovation sont les zéolites et les charpentes organométalliques (MOF), dont les applications vont de la séparation et du stockage de gaz à la catalyse.

Les scientifiques ont utilisé le stockage du méthane, un aspect important des énergies renouvelables, comme étude de cas. La nouvelle méthode a montré qu'il est possible de trouver des matériaux nanoporeux qui fonctionnent aussi bien que les matériaux les plus performants connus en recherchant dans les bases de données des formes de pores similaires.

Inversement, l'étude montre que les formes de pores des matériaux les plus performants peuvent être classées en classes topologiquement distinctes, et que les matériaux de chaque classe nécessitent une stratégie d'optimisation différente.

"Nous avons une base de données de plus de 3, 000, 000 matériaux nanoporeux, il est donc hors de question de trouver des structures similaires par inspection visuelle, " dit Berend Smit. " En fait, parcourir la littérature, nous avons constaté que les auteurs ne réalisent souvent pas quand un nouveau MOF a la même structure de pores qu'un autre. Nous avons donc vraiment besoin d'une méthode de calcul. Cependant, alors que les humains sont intuitivement bons pour reconnaître les formes comme identiques ou différentes, nous devions travailler avec le département de mathématiques de l'EPFL pour développer un formalisme capable d'enseigner cette compétence à un ordinateur."

« Dans le domaine de la topologie algébrique, les mathématiciens ont formulé la théorie de l'homologie de persistance dans n'importe quelle dimension, " explique Kathryn Hess. " Les applications précédentes n'utilisaient que les deux premières de ces dimensions, C'est donc passionnant que les ingénieurs chimistes de l'EPFL aient découvert une application importante qui nécessite également la troisième dimension."