Un nouveau modèle mathématique permet de prédire les minuscules changements dans les matériaux à base de carbone qui pourraient donner des propriétés intéressantes.

Des scientifiques de l'Université de Tohoku et des collègues au Japon ont développé un modèle mathématique qui résume les principaux effets des changements dans la géométrie du matériau carboné et prédit ses propriétés uniques.

Les détails ont été publiés dans le journal Carbone .

Les scientifiques utilisent généralement des modèles mathématiques pour prédire les propriétés qui pourraient émerger lorsqu'un matériau est modifié de certaines manières. Modification de la géométrie du graphène tridimensionnel (3D), qui est fait de réseaux d'atomes de carbone, en ajoutant des produits chimiques ou en introduisant des défauts topologiques, peut améliorer ses propriétés catalytiques, par exemple. Mais il a été difficile pour les scientifiques de comprendre pourquoi cela se produit exactement.

Le nouveau modèle mathématique, dite réalisation standard avec interaction répulsive (SRRI), révèle la relation entre ces changements et les propriétés qui en découlent. Il le fait en utilisant moins de puissance de calcul que le modèle typique utilisé à cette fin, appelée théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), mais c'est moins précis.

Avec le modèle SRRI, les scientifiques ont affiné un autre modèle existant en montrant les forces attractives et répulsives qui existent entre les atomes adjacents dans les matériaux à base de carbone. Le modèle SRRI prend également en compte deux types de courbure dans de tels matériaux :les courbures locales et la courbure moyenne.

Les chercheurs, dirigé par le mathématicien de l'Université du Tohoku Motoko Kotani, ont utilisé leur modèle pour prédire les propriétés catalytiques qui se produiraient lorsque des courbures locales et des dopants seraient introduits dans le graphène 3D. Leurs résultats étaient similaires à ceux produits par le modèle DFT.

"La précision du modèle SRRI a montré un accord qualitatif avec les calculs DFT, et est capable de filtrer les matériaux potentiels environ un milliard de fois plus rapidement que DFT, " dit Kotani.

L'équipe a ensuite fabriqué le matériau et déterminé ses propriétés à l'aide de la microscopie à cellule électrochimique à balayage. Cette méthode peut montrer un lien direct entre la géométrie du matériau et son activité catalytique. Il a révélé que les sites catalytiquement actifs sont sur les courbures locales.

"Notre modèle mathématique peut être utilisé comme un outil de présélection efficace pour explorer de nouveaux matériaux carbonés 2D et 3D pour des propriétés uniques avant d'appliquer la modélisation DFT, " dit Kotani. " Cela montre l'importance des mathématiques dans l'accélération de la conception de matériaux. "

L'équipe prévoit ensuite d'utiliser leur modèle pour rechercher des liens entre la conception d'un matériau et ses propriétés mécaniques et de transport d'électrons.