Couplage de l'automatisation informatique avec une imprimante à jet d'encre utilisée à l'origine pour imprimer des dessins de T-shirts, des chercheurs de Caltech et de Google ont développé une méthode à haut débit pour identifier de nouveaux matériaux aux propriétés intéressantes. Dans un essai du processus, ils ont passé au crible des centaines de milliers de nouveaux matériaux possibles et en ont découvert un à base de cobalt, tantale, et l'étain qui a une transparence réglable et agit comme un bon catalyseur pour les réactions chimiques tout en restant stable dans les électrolytes acides forts.

L'effort, décrit dans un article scientifique publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ), était dirigé par John Gregoire et Joel Haber de Caltech, et Lusann Yang de Google. Il s'appuie sur les recherches menées au Centre commun de photosynthèse artificielle (JCAP), un pôle d'innovation énergétique du Département de l'énergie (DOE) à Caltech, et continue avec le successeur de JCAP, la Liquid Sunlight Alliance (LiSA), un effort financé par le DOE qui vise à rationaliser les étapes compliquées nécessaires pour convertir la lumière du soleil en carburants, pour rendre ce processus plus efficace.

Créer de nouveaux matériaux n'est pas aussi simple que de déposer quelques éléments différents dans un tube à essai et de le secouer pour voir ce qui se passe. Vous avez besoin des éléments que vous combinez pour se lier les uns aux autres au niveau atomique pour créer quelque chose de nouveau et de différent plutôt qu'un simple mélange hétérogène d'ingrédients. Avec un nombre presque infini de combinaisons possibles des différents carrés du tableau périodique, le défi est de savoir quelles combinaisons donneront un tel matériau.

"La découverte de matériaux peut être un processus sombre. Si vous ne pouvez pas prédire où trouver les propriétés souhaitées, vous pourriez passer toute votre carrière à mélanger des éléments aléatoires et ne jamais rien trouver d'intéressant, " dit Grégoire, enseignant-chercheur en physique appliquée et science des matériaux, chercheur au JCAP, et chef d'équipe LiSA.

Lors de la combinaison d'un petit nombre d'éléments individuels, les scientifiques des matériaux peuvent souvent faire des prédictions sur les propriétés qu'un nouveau matériau pourrait avoir en fonction de ses éléments constitutifs. Cependant, ce processus devient rapidement intenable lorsque des mélanges plus complexes sont réalisés.

« Tout ce qui est plus que deux éléments est considéré comme « de haute dimension » en science des matériaux, " dit Grégoire. " La plupart ou tous les oxydes à un et deux métaux sont déjà connus, " dit-il. " La frontière inconnue est de trois ou plus ensemble. " (Les oxydes métalliques sont des matériaux solides qui contiennent des ions métalliques chargés positivement, ou des cations, et des ions oxygène chargés négativement, ou des anions; rouiller, par exemple, est de l'oxyde de fer.)

La plupart des matériaux de la croûte terrestre sont des oxydes métalliques, car l'oxygène de l'atmosphère réagit avec divers métaux de la croûte de la planète. La stabilité environnementale des oxydes métalliques les rend pratiquement utiles, à condition que des compositions spécifiques de ces oxydes puissent être identifiées qui fourniront la mécanique, optique, électronique, et les propriétés chimiques nécessaires pour une technologie donnée.

Bien que les scientifiques des matériaux aient montré comment toutes ces propriétés peuvent être ajustées grâce à l'utilisation de divers oxydes métalliques, obtenir les propriétés nécessaires pour une application particulière peut nécessiter des combinaisons spécifiques de plusieurs éléments, et trouver les bons est un défi de taille.

Pour franchir la frontière des trois oxydes métalliques ou plus, Le groupe de Grégoire s'est appuyé sur une décennie de travail du JCAP. Là, les chercheurs ont développé des méthodes pour créer 100, 000 matériaux par jour. L'un de ces matériaux, découvert dans cette étude, a été produit en utilisant des imprimantes à jet d'encre réutilisées pour « imprimer » de nouveaux matériaux sur des feuilles de verre. Chaque combinaison d'éléments a été imprimée sous forme de trait avec une gradation du rapport entre ses constituants puis oxydée à haute température.

Chacun de ces matériaux a ensuite été numérisé et imagé à Caltech à l'aide d'une technique d'imagerie hyperspectrale co-développée avec Google qui peut rapidement capturer des informations sur le matériau en enregistrant la quantité de lumière qu'il absorbe à neuf longueurs d'onde différentes. "Ce n'est pas une analyse complète du matériel, mais c'est rapide et offre des indices sur les compositions aux propriétés intéressantes, " dit Haber, chimiste de recherche et ingénieur matériaux au JCAP et au LiSA.

Dans tout, l'équipe Caltech en a créé 376, 752 combinaisons de trois oxydes métalliques basées sur 10 éléments métalliques et ont produit des échantillons de chaque combinaison individuelle 10 fois différentes pour détecter et éliminer les défauts du processus de synthèse. "L'impression peut avoir des artefacts, qui est le sacrifice que vous faites pour la vitesse. Les analyses de Google nous ont appris à tout faire 10 fois pour construire la confiance dans les résultats, " dit Grégoire.

Bien qu'imparfait, le processus crée des matériaux à trois métaux environ 1, 000 fois plus rapide que les techniques traditionnelles telles que le dépôt en phase vapeur, dans lequel le nouveau matériau est appliqué sur un substrat en le condensant à partir d'une vapeur.

Les ingénieurs informaticiens de Google ont ensuite créé des algorithmes pour traiter les images hyperspectrales et recherché des compositions spécifiques dont les propriétés optiques ne peuvent être expliquées que par des interactions chimiques entre les trois éléments métalliques.

« Si les trois éléments interagissent chimiquement pour fournir des propriétés optiques exceptionnelles, leurs interactions peuvent également donner lieu à d'autres propriétés exceptionnelles, " explique Grégoire. Parce que la technique permet d'identifier la petite fraction des compositions qui montrent des preuves de ces interactions chimiques, il réduit également la botte de foin pour les scientifiques des matériaux à la recherche d'aiguilles, pour ainsi dire.

"Le laboratoire de John a eu le genre de problème dont nous rêvons chez Google Applied Science ; il peut imprimer des centaines de milliers d'échantillons par jour, résultant en des téraoctets de données d'image, " déclare Lusann Yang, chercheuse chez Google. " Nous avons été ravis de travailler en étroite collaboration avec lui à chaque étape de cette collaboration de six ans, trouver des endroits pour appliquer la boîte à outils unique de Google pour des expériences itératives sur de grandes quantités de données bruitées :concevoir des expériences, matériel de débogage, traiter de grandes quantités de données d'images, et créer des algorithmes inspirés de la physique. Le résultat est un ensemble de données expérimentales d'une ampleur unique dans de nombreux espaces chimiques que je suis fier d'ouvrir en source. »

Pour valider leurs conclusions, L'équipe de Grégoire à Caltech a recréé les matériaux signalés comme "intéressants" en utilisant le dépôt physique en phase vapeur et les a analysés par diffraction des rayons X, un processus plus lent mais plus complet que l'imagerie hyperspectrale. Ce type de validation a révélé que le processus automatisé à haut débit était plus apte à détecter de nouveaux matériaux qu'une analyse approfondie des données hyperspectrales par un scientifique humain.

Les PNAS L'article s'intitule "Découverte d'oxydes complexes via des expériences automatisées et la science des données".