Une illustration montrant comment les molécules d'eau sont disposées dans le liquide autour d'une molécule centrale de référence. Les zones blanches montrent l'organisation hautement directionnelle de la densité de l'eau dans les première et deuxième "coquilles" structurelles résultant des liaisons hydrogène - tandis que la zone orange montre la région d'épuisement - où aucune molécule d'eau ne peut résider. Les images sont obtenues à l'aide du modèle d'oscillateur quantique Drude. Crédit :IBM Blog Research
Matériaux dans les applications industrielles et d'ingénierie, comme le fer et l'acier, sont souvent utilisés à des pressions et températures extrêmes ou dans des environnements complexes où leurs propriétés peuvent être très différentes de celles trouvées dans des circonstances normales.
L'exemple le plus connu dans la pratique est peut-être celui des carreaux extérieurs de la navette spatiale Columbia de la NASA, qui était recouvert d'une combinaison de composés de silice et d'oxyde d'aluminium pour le protéger contre des températures allant jusqu'à 1, 200 degrés F. En regardant en arrière maintenant, ce fut un exploit d'ingénierie incroyable pour y parvenir étant donné qu'ils manquaient de la puissance de calcul dont nous disposons aujourd'hui.
La capacité de prédire les propriétés des matériaux, comme avec les tuiles, loin des conditions rencontrées dans l'expérience commune, et où les mesures expérimentales sont limitées, est donc un atout majeur dans la conception et la découverte de matériaux. Cette situation présente des défis uniques pour la simulation des matériaux car elle nécessite que les modèles et leurs hypothèses sous-jacentes soient appliqués dans des situations très différentes de celles dans lesquelles ils ont été développés.
Une équipe impliquant IBM Research et le Hartree Center du UK Science and Technology Facilities Council (STFC) a développé une nouvelle classe de méthodes de simulation de matériaux conçues pour améliorer le pouvoir prédictif et étendre la gamme de conditions dans lesquelles les modèles de simulation de matériaux à l'échelle moléculaire peuvent être appliqués. avec confidence. Ceci est réalisé en incorporant des réponses électroniques dans la description moléculaire. Cette innovation permet aux molécules simulées de s'adapter à leur environnement comme le font les molécules "réelles" et est suffisamment efficace pour être appliquée à des systèmes complexes.
Dans un article paru aujourd'hui dans Rapports scientifiques sur la nature , nous abordons le célèbre défi de l'eau liquide en tant que système modèle présentant des changements inhabituels et spectaculaires des propriétés physiques en fonction de la température - avec un comportement particulièrement mystérieux (comme une température de densité maximale et une dilatation thermique négative) apparaissant près et en dessous du point de congélation.
Notre équipe utilise la simulation des matériaux pour explorer la structure et les propriétés de l'eau aux extrêmes de sa plage de stabilité en tant que liquide :à sa limite de température élevée lorsque le liquide se condense d'abord en petites chaînes et gouttelettes liquide « surfondu » hautement structuré – qui survit bien en dessous du point de congélation normal ; et dans le régime "étiré" inconnu - où les liaisons liquides supportent des contraintes de traction élevées avant de "se casser" pour former des cavités de vapeur. Le travail révèle également des relations jusqu'alors inconnues entre la structure liquide et celles des « glaces vitreuses ».
L'accord avec les preuves expérimentales disponibles dans un si large éventail de conditions est une preuve puissante que les réponses électroniques incorporées dans le modèle capturent la physique essentielle requise pour décrire certaines des propriétés mystérieuses de l'eau et exposer leurs origines moléculaires pour la première fois.
Alors que dans notre article, nous nous sommes concentrés sur l'eau ou les liquides, c'est aussi pratique pour les solides, et nous développons actuellement pour des applications plus larges dans les secteurs industriels tels que les sciences de la vie par le biais du Centre Hartree.
En repensant aux ingénieurs qui ont conçu la navette spatiale, ils ont probablement eu des mois, voire des années d'essais et d'erreurs pour développer les carreaux afin qu'ils soient résistants à la chaleur, pourtant léger et pas trop cassant. En appliquant la technologie discutée dans notre article, ils auraient pu tester des centaines de conceptions en quelques minutes. À ne pas oublier, nous faisons des tests virtuels, ce qui est également beaucoup moins coûteux et plus sûr par rapport aux tests physiques.
Je suis convaincu que ce travail de simulation de matériaux contribuera à une nouvelle ère cognitive de découverte.
