Nouveau verre de l'ordinateur
Les chercheurs en matériaux développent des méthodes assistées par ordinateur, qui permettent de développer le verre de manière plus efficace en termes de temps et d'énergie.
Le verre est un matériau très particulier : il peut être produit dans une variété presque illimitée à partir de composés de presque tous les éléments du tableau périodique. La seule condition est que les composants puissent être fondus ensemble et que la masse fondue soit refroidie suffisamment rapidement. Ce faisant, le mélange liquide se solidifie et forme un verre. "Le verre est donc un liquide gelé", explique le professeur Lothar Wondraczek, chimiste spécialiste du verre à l'université d'Iéna. Si la diversité des compositions est grande, les propriétés des verres qui en résultent le sont tout autant.
Fusion du verre, image symbolique. Jusqu'à présent, le développement de nouveaux matériaux pour le verre a été un processus qui prenait beaucoup de temps et d'énergie.
Jens Meyer (University of Jena)
Zhiwen Pan est le premier auteur de la présente publication, dans laquelle les chercheurs en matériaux de Jena présentent une méthode qui permet d'accélérer considérablement la recherche de dépendances corrélées dans la composition du matériau pendant la fabrication du verre et de la rendre plus efficace à l'avenir.
Anne Günther (University of Jena)
Pour la science des matériaux, c'est un problème, car contrairement aux matériaux cristallins, le verre n'a pas de structure interne ordonnée. Au contraire, après refroidissement, ses composants atomiques restent disposés plus ou moins comme ils l'étaient à l'état liquide. Les spécialistes des matériaux parlent de désordre corrélé : bien qu'il n'y ait pas d'arrangement périodique récurrent des atomes, il n'y a pas non plus de hasard pur. Au contraire, il existe certaines règles de construction et corrélations qui résultent de l'interaction des composants entre eux. "Afin de trouver des recettes chimiques pour des verres aux propriétés adaptées, des processus d'optimisation longs et expérimentalement complexes sont souvent nécessaires", explique M. Wondraczek. "C'est donc un défi particulier que de trouver exactement les règles de construction et les corrélations chimiques qui sont significatives pour une certaine propriété ou une certaine combinaison de propriétés. Par exemple, l'interaction de certains composants chimiques peut conduire à une amélioration de la résistance mécanique. Toutefois, si le verre doit également présenter une conductivité ionique définie pour des applications de batterie, par exemple, des corrélations chimiques complètement différentes pourraient être pertinentes. Des chercheurs dirigés par Lothar Wondraczek viennent de présenter une méthode qui peut rendre la recherche de telles corrélations beaucoup plus rapide et efficace à l'avenir. Comme ils l'indiquent dans la revue scientifique "Advanced Science", ils espèrent que cette méthode ouvrira de nouvelles voies vers des matériaux en verre aux propriétés optimisées.
Quels "gènes" déterminent les propriétés des matériaux ?
Les corrélations structurelles et chimiques qui sous-tendent les propriétés pratiques sont - en référence aux sciences de la vie - appelées "gènes" ; l'ensemble des propriétés d'un matériau résulte donc de son "génome". À titre d'exemple, les chercheurs d'Iéna se sont intéressés à la conductivité des ions sodium. Dans des verres complexes, dits polyioniques, ils veulent découvrir quelles combinaisons de composants chimiques sont responsables de la conductivité pratiquement réalisable. De tels verres conducteurs d'ions peuvent être utilisés, par exemple, dans des batteries à l'état solide. "Tout d'abord, nous avons besoin d'un ensemble de données expérimentales suffisamment important et fiable, que nous pouvons ensuite étudier à l'aide de méthodes d'analyse du génome", explique Zhiwen Pan, premier auteur de la publication. Comparable aux approches utilisées en bio-informatique, cette méthode recherche les "gènes" déterminant les propriétés, sauf que dans ce cas, il s'agit d'un matériau et non d'un organisme vivant.
Le verre polyionique étudié est constitué d'une combinaison d'oxydes, de fluorures, de sulfates, de phosphates et de chlorures. Les propriétés observables du matériau résultent des interactions de cette multitude de composants chimiques. Toutefois, en raison de la complexité de ces composants, il n'est possible de se prononcer sur la structure et la disposition spatiale des éléments de base que dans une mesure très limitée, de sorte que les propriétés qui en résultent sont difficilement prévisibles. Au lieu de procéder à des expériences de laboratoire fastidieuses, il est désormais possible d'identifier les compositions optimales à l'aide de modèles analytiques. Nous avons également pu montrer que les "gènes" que nous avons trouvés s'accordent très bien avec les quelques connaissances que nous avons de la structure de ces verres grâce aux analyses spectroscopiques", résume M. Wondraczek.
Dans la tradition d'Otto Schott
Dans son "analyse génomique" du verre, l'équipe d'Iéna poursuit des approches méthodologiques qui ont été introduites pour la première fois à Iéna il y a 130 ans par Otto Schott, le pionnier de la recherche sur le verre. "Schott a été le premier à développer des verres modernes par le biais de variations systématiques de la composition chimique. À partir de ses observations, il a établi des corrélations entre la chimie et les propriétés pratiques", explique M. Wondraczek. Avec le physicien Adolf Winkelmann, alors professeur à l'université d'Iéna, Schott a traduit ces résultats en modèles mathématiques de régression, précurseurs en quelque sorte de ce que les chercheurs utilisent aujourd'hui dans le cadre de l'"apprentissage automatique".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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