Ali Gooneie simule sur son ordinateur ce qui maintient le monde en son cœur :les atomes, molécules, des chaînes moléculaires et des faisceaux, puis des grumeaux et des fibres, qui en découlent. Avec ses calculs, le chercheur de l'Empa peut aussi expliquer des propriétés que l'on sent du bout des doigts :surfaces lisses et rugueuses, matériaux souples et rigides, substances thermoconductrices et isolants.

Beaucoup de ces propriétés ont leur origine profondément à l'intérieur des matériaux. Métal ou bois, plastique ou céramique, pierre ou gel—tous ceux-ci ont été examinés plusieurs fois auparavant. Cependant, et les matériaux composites ? Comment naissent les propriétés de tels matériaux et comment peuvent-elles être modifiées de la manière souhaitée ? Une approche fastidieuse d'essais et d'erreurs en laboratoire n'est plus suffisante dans l'environnement de recherche en évolution rapide d'aujourd'hui. De nos jours, vous avez besoin de prédictions assistées par ordinateur pour pouvoir décider rapidement quelle voie expérimentale emprunter.

Gooneie est l'un des nombreux experts en simulation informatique qui travaillent dans divers laboratoires de recherche de l'Empa. Il a étudié la technologie des polymères à l'Université de technologie d'Amirkabir à Téhéran et a fait son doctorat à l'Université de Leoben en Autriche. "Bien qu'après mon diplôme d'ingénieur je me sois plongé de plus en plus profondément dans le monde des formules physiques, Je n'ai jamais perdu contact avec le monde réel, " dit-il. " Pour moi, les simulations ne sont pas une fin en soi. Je les utilise pour expliquer les effets que nous observons dans les matériaux."

A quoi ressemble un cheveu ? Et par dessus tout, Pourquoi?

Afin de comprendre ce que Gooneie calcule exactement, cela vaut la peine de considérer un matériau fibreux composite polymère biologique que nous connaissons tous très bien :les cheveux. Fraîchement lavé, il est doux et flexible. Quand il est sec, il crépite comme l'électricité; et lorsqu'il est mouillé, ça grince comme du caoutchouc. On peut le couper, Tirez, le faire flamber, permettez-le, blanchissez-le et séchez-le. Mais d'où viennent toutes ces propriétés ?

Les cheveux sont constitués d'acides aminés individuels, qui se combinent pour former des protéines à longue chaîne appelées kératines. Ces longues molécules de kératine se lient pour former des fils et des faisceaux de fibres. Un complexe composé de membranes cellulaires cimente ces faisceaux de fibres ensemble. Ces faisceaux de fibres sont entourés de plusieurs couches d'écailles de cornes mortes disposées en quinconce les unes sur les autres comme les écailles d'une pomme de pin. Par conséquent, les propriétés des cheveux seraient inexplicables si seuls les éléments chimiques de base, les acides aminés, étaient pris en compte. Il est crucial de comprendre la structure globale.

Alors laissez-nous, dans nos esprits, faire un zoom arrière sur la structure chimique et voir les molécules uniquement sous forme de globules, qui sont reliés comme sur un collier de perles. Maintenant, l'image n'est plus déterminée par la chimie, mais par les collisions et les effets de friction de ces chaînes de perles. Les experts utilisent des modèles mathématiques grossiers pour leurs calculs.

Finalement, nous arrivons dans une dimension que nous pouvons voir et sentir :la gamme millimétrique, où les cheveux sont considérés comme un matériau homogène, la structure fine n'est plus importante. Les propriétés macroscopiques du matériau peuvent être décrites et prédites à l'aide de la "méthode des éléments finis".

Compréhension détaillée des fibres

Jusqu'à il y a quelques années seulement, une telle approche multidimensionnelle n'existait pas dans le secteur des composites polymères. Avec ses recherches à l'Université de Leoben, Ali Gooneie avait affiné cette approche, ce qui en faisait un candidat parfait pour l'Empa. L'expert en simulation a déménagé à Saint-Gall et mène actuellement des recherches dans le laboratoire Advance Fibres de l'Empa sous la direction de Manfred Heuberger.

L'un des objectifs de recherche de Heuberger est de raffiner les fibres synthétiques, un sujet économiquement important :de nos jours, environ les deux tiers de toutes les fibres utilisées dans le monde sont produites synthétiquement. Une fibre synthétique est bien plus qu'un fin filament de plastique. Ils ne deviennent des "fibres" que si leur structure moléculaire composée de petits cristaux et de molécules alignées est orientée vers les propriétés souhaitées, telles que la flexibilité ou la fermeté. Ce n'est que si la structure des fibres est connue de l'échelle nanométrique à l'échelle micrométrique que les propriétés du produit peuvent être définies spécifiquement pendant le traitement.

Composites polymères conducteurs

Gooneie a déjà supervisé plusieurs projets. Par exemple, l'un visait à noyer des nanotubes de carbone (CNT) dans une matrice polyamide. Au bon dosage, Les NTC peuvent donner une conductivité électrique à un matériau synthétique, ce qui rend ce matériau intéressant pour l'industrie photovoltaïque, par exemple. Mais quelle est la quantité parfaite de nanotubes à mélanger ? Les tubes devraient-ils avoir la même longueur ou un mélange de longueurs donnerait-il de meilleurs résultats ?

Jusque là, il est courant que les chercheurs en composites affinent et résolvent le problème à l'aide d'une série d'expériences. Ali Gooneie, cependant, aborde le problème sous un angle théorique et utilise ses méthodes de simulation multidimensionnelle. La solution qu'il a trouvée :un mélange de CNT de différentes longueurs donne la conductivité électrique la plus rapide. Finalement, il a réussi à prédire le chemin, dans lequel les nanotubes sont disposés dans le polymère - quelle que soit la vitesse, avec lequel le traitement a lieu.

Dans le même temps, les calculs ont été effectués, les chercheurs ont lancé leur première expérience :dans une extrudeuse chaude à 245 degrés Celsius, ils ont mélangé des nanotubes en diverses proportions dans la matrice polyamide. Il s'est avéré qu'un mélange de 0,15 % en poids donnait les meilleurs résultats en termes de conductivité électrique. Main dans la main avec des expériences de laboratoire, les mathématiques appliquées ont fourni une solution élégante au problème.

Recyclage doux du PET

Les calculs de simulation peuvent également apporter beaucoup dans les projets de recyclage. Les Suisses en ont récolté près de 48, 000 tonnes de bouteilles PET en 2018. De là, l'industrie a gagné 35, 000 tonnes de PET recyclé. La matière synthétique est très recherchée car résistante mécaniquement, étanche à l'air et au gaz, et peut supporter des températures élevées. Cependant, Le PET ne peut pas être recyclé un nombre illimité de fois. Si le matériau est refondu trop souvent, des réactions chimiques ont lieu au sein du matériau :les molécules s'oxydent, réticuler et former des grumeaux, et le matériau devient visqueux et translucide.

Un additif appelé DOPO-PEPA pourrait changer tout cela. En réalité, le matériau est un retardateur de flamme développé par le chercheur de l'Empa Sabyasachi Gaan, également dans le laboratoire Advance Fibers. Maintenant, les chercheurs veulent explorer s'il peut également servir de lubrifiant et de conservateur pour le recyclage du PET. Gooneie a commencé par estimer si DOPO-PEPA peut être mélangé dans du PET à la température prévue. Puis il a calculé comment le collier de perles de molécules de PET se déplacerait dans la fonte, comment les molécules DOPO-PEPA se serreraient entre elles, et quand un équilibre apparaîtrait dans le mélange.

Le résultat :un mélange de quelques pourcents de DOPO-PEPA est déjà suffisant pour permettre au PET recyclé de bien s'écouler. Grâce aux mathématiques supérieures de l'Empa, le recyclage sera bientôt beaucoup plus fluide.