Des chercheurs de l'Université Aalto et de l'Université de Cambridge ont fait une percée significative dans la science informatique en combinant la modélisation au niveau atomique et l'apprentissage automatique. Pour la première fois, la méthode a été utilisée pour modéliser de manière réaliste comment un matériau amorphe est formé au niveau atomique :c'est-à-dire un matériau qui n'a pas une structure cristalline régulière. L'approche devrait avoir un impact sur la recherche de nombreux autres matériaux.

"Le secret de notre succès est l'apprentissage automatique, grâce auquel nous pouvons modéliser le comportement de milliers d'atomes sur de longues périodes de temps. De cette façon, nous avons obtenu un modèle plus précis, " explique le chercheur postdoctoral Miguel Caro.

Les simulations de l'équipe révèlent que le film de carbone semblable au diamant se forme au niveau atomique d'une manière différente de ce que l'on pensait. La compréhension dominante au cours des 30 dernières années du mécanisme de formation du film de carbone amorphe a été basée sur des hypothèses et des résultats expérimentaux indirects. Ni un bon ni même un modèle adéquat au niveau atomique n'a été disponible jusqu'à présent. La nouvelle méthode a maintenant renversé les modèles qualitatifs antérieurs et fourni une image précise au niveau atomique du mécanisme de formation.

"Plus tôt, On pensait que les films de carbone amorphe se formaient lorsque les atomes étaient regroupés dans une petite zone. Nous avons démontré que les ondes de choc mécaniques peuvent provoquer la formation d'atomes de type diamant plus loin du point auquel les atomes d'impact frappent la cible, rapporte Caro, qui a réalisé les simulations sur les supercalculateurs du CSC (IT Center for science), modéliser le dépôt de dizaines de milliers d'atomes.

Les résultats ouvrent de nouvelles voies de recherche importantes

Il existe d'innombrables utilisations différentes du carbone amorphe. Il est utilisé comme revêtement dans de nombreuses applications mécaniques, tels que les moteurs de voiture, par exemple. En outre, le matériau peut également être utilisé à des fins médicales et dans divers domaines liés à l'énergie, applications biologiques et environnementales.

"Pour nous, l'application la plus importante est celle des biocapteurs. Nous avons utilisé des revêtements de carbone amorphe très minces pour identifier différentes biomolécules. Dans ces applications, il est particulièrement important de connaître l'électricité des films, propriétés chimiques et électrochimiques et pouvoir personnaliser le matériau pour une application particulière, " explique le professeur Tomi Laurila.

Dr Volker Deringer, un boursier Leverhulme en début de carrière, est particulièrement enthousiaste à l'idée d'utiliser ces méthodes pour les matériaux amorphes.

« Faire équipe a été un grand succès, " concluent Deringer et Caro, qui poursuivent la collaboration entre leurs institutions à travers des visites continues. L'équipe s'attend à ce que leur approche aide beaucoup d'autres dans la recherche expérimentale sur les matériaux, car il peut donner des informations sur les matériaux avec un niveau de précision proche de celui des méthodes de mécanique quantique, mais peut simultanément utiliser des milliers d'atomes et de longs temps de simulation. Ces deux éléments sont extrêmement importants pour une image réaliste des processus dans les expériences.

« Je suis particulièrement enthousiasmé par les types d'opportunités que cette méthode offre pour des recherches ultérieures. Ce modèle au niveau atomique produit des résultats vérifiables et corrects qui correspondent exceptionnellement bien aux résultats expérimentaux, révélant également pour la première fois les phénomènes au niveau atomique derrière les résultats. En utilisant le modèle, nous pouvons, par exemple, prédire quel type de surface de carbone serait le mieux pour mesurer les neurotransmetteurs dopamine et sérotonine, " dit Laurila.