Figure 1 :Un instantané de la simulation d'un empilement auto-assemblé de couches d'argile et de molécules de polymère
Les supercalculateurs peuvent être utilisés pour simuler des matériaux à des échelles très diverses, du flux d'air passant par l'aile d'un avion jusqu'au mouvement des électrons autour des atomes individuels. Différents domaines de longueur et d'échelle de temps fournissent différents niveaux d'information, mais on sait actuellement peu de choses sur la façon dont ces niveaux d'information sont connectés. Le professeur Peter Coveney de l'University College London a dirigé un programme à long terme qui vise à relier les échelles, relier le comportement des atomes et des molécules aux propriétés tangibles à l'échelle macroscopique.
A la fin des années 1980, des chercheurs de Toyota ont démontré qu'en renforçant des polymères tels que le nylon avec de l'argile à l'échelle nanométrique, une amélioration significative d'un large éventail de propriétés techniques pourrait être réalisée. Connu sous le nom de nanocomposites argile-polymère, ces matériaux ont une très faible densité mais sont également résistants et résistants - des propriétés idéales pour la construction de véhicules.
Des recherches approfondies sur ces matériaux sont en cours depuis, et bien qu'il y ait eu un certain succès dans la recherche de nouveaux composites utiles, cela s'est avéré difficile. Les mêmes chercheurs qui ont fait la découverte initiale en travaillant pour Toyota ont récemment écrit sur la rareté relative de telles découvertes depuis leur percée il y a près de trente ans, citant la nature laborieuse d'essais et d'erreurs des expériences exploratoires requises, mais aussi un manque fondamental de compréhension de comment et pourquoi des matériaux tels que les nanocomposites argile-polymère possèdent de telles propriétés anormales.
Le professeur Peter Coveney de l'University College de Londres, en collaboration avec ses collègues Dr James Suter et Dr Derek Groen, a travaillé sur les moyens de connecter différentes représentations de la matière entre elles, ce qui, selon lui, est la première étape vers l'accélération du processus de découverte de matériaux nouveaux et utiles. "Imaginer, par exemple, un matériau qui s'est fracturé. Au niveau moléculaire, cela se traduit par la rupture des liaisons chimiques par les électrons se déplaçant entre les atomes, alors que la manifestation à plus grande échelle serait la rupture d'un composant fait de ce matériau. Ce sont des représentations très différentes du même événement, mais les deux sont également corrects. Simuler cet événement séparément à différentes échelles est relativement facile. Ce qui n'est pas si facile, c'est de relier les deux - d'extrapoler les propriétés macroscopiques d'un matériau à partir de sa composition chimique."
Figure 2 :Illustration du processus dynamique d'intercalation des polymères entre les couches d'argile hexagonales. Chaque molécule de polymère a une couleur différente et se déplace rapidement à travers l'espacement intercalaire
Créer une description d'un matériau qui fonctionne à toutes les échelles sans avoir à injecter des paramètres ad hoc à des niveaux supérieurs est une étape cruciale vers la découverte de matériaux in silico. Pour réaliser une "modélisation multi-échelles", comme on le sait, les paramètres de niveau le plus bas doivent être extrêmement précis, et les ordinateurs les plus puissants sont nécessaires pour exécuter les simulations. Mais les récompenses pour réussir dans cette tâche sont grandes; si l'on peut prédire les propriétés physiques utiles d'un matériau à partir de sa structure moléculaire, les expériences d'essais et d'erreurs coûteuses et chronophages peuvent alors être éliminées du processus de découverte.
En février 2015, la revue Advanced Materials a publié un article de Suter, Groen et Coveney qui discute des propriétés d'un certain nombre de nanocomposites d'argile polymère. Cependant, ce ne sont pas les matériaux spécifiques qui rendent le papier si intéressant, mais plutôt les méthodes révolutionnaires derrière la recherche. Dans le journal, ils décrivent une méthode qui peut être utilisée pour calculer les propriétés des nanocomposites de polymères d'argile à l'aide d'une modélisation multi-échelle. Les seuls intrants nécessaires à ce "laboratoire virtuel" sont la composition chimique, structure moleculaire, et conditions de traitement, et en retour, il fournit des informations qui n'ont en grande partie jamais été montrées auparavant dans aucun type de modélisation, encore moins dans une expérience.
"En connectant toutes les échelles entre elles dans un modèle multi-échelles, nous avons pu montrer le processus de pénétration des polymères à l'intérieur des couches d'argile - comment cela se produit et combien de temps cela prend, " dit Coveney. " L'argile existe naturellement sous forme de feuilles empilées appelées tactoïdes. Lorsque vous ajoutez un polymère, il brisera cette configuration naturelle - encapsulant, exfoliant ou intercalant les empilements. Notre simulation a montré que le composite s'arrange alors dans une orientation particulière, de telle sorte que les propriétés du matériau commencent à être très différentes de ce que vous pourriez prédire à partir d'une combinaison linéaire des propriétés de l'argile et du polymère."
L'article était considéré comme si important par Advanced Materials que, pour la première fois de toute son histoire, la revue à fort impact a publié un article étendu afin que les méthodes derrière le travail puissent être pleinement expliquées. "La capacité de modéliser et de simuler les propriétés d'un matériau de cette manière a ouvert la porte à des prédictions qui pourraient considérablement accélérer de nombreux processus de découverte scientifique, pas seulement dans le domaine des nanocomposites argile-polymère, " explique Coveney.
Figure 3 :Simulation de la dynamique moléculaire à gros grains d'un polymère d'alcool poly(vinylique) intercalé entre des couches d'argile
Graphène, par exemple, est un matériau qui a longtemps été présenté comme un matériau miracle moderne qui finira par révolutionner de nombreux domaines de recherche. Cependant, fournir les applications pratiques du graphène s'est avéré difficile, notamment en raison des défis de le produire en assez grandes quantités. La modélisation à plusieurs échelles pourrait être utilisée pour modéliser la production industrielle de graphène en exfoliant des feuilles de graphène 2D à partir de graphite - un processus assez similaire à l'exfoliation des tactoïdes d'argile dans la production de nanocomposites argile-polymère.
Coveney et ses chercheurs ont largement utilisé les supercalculateurs de niveau 0 PRACE, dont 40,5 millions d'heures de base sur JUGENE BlueGene/P à FZJ. "Réaliser des simulations multi-échelles relève du domaine de ce que nous appelons "les tâches de calcul héroïques", il dit. « Je pense personnellement que l'avenir de la science des matériaux réside dans une bonne compréhension des composites, et cela dépend beaucoup de la nature haute fidélité de nos modèles et simulations. Les supercalculateurs de niveau 0 tels que ceux fournis par PRACE sont absolument essentiels pour exécuter ces simulations dans des périodes de temps réalisables, et donc le succès de notre travail et de tout travail futur qui utilise nos méthodes repose sur l'accès des chercheurs à ces précieuses ressources. »
A court terme, les méthodes de l'équipe ont le potentiel d'accélérer la découverte et la compréhension scientifiques. À long terme, la science des matériaux sera changée pour le mieux, en éliminant une grande partie des essais et des erreurs qui assaillent actuellement le développement de matériaux utiles.
