Un algorithme d'IA offre une meilleure façon de rechercher et de créer des matériaux nanoporeux
Un jour, les matériaux nanoporeux pourront résoudre certains des problèmes les plus graves de la société, de l'absorption du dioxyde de carbone ou du méthane dans l'air au stockage de l'hydrogène gazeux comme carburant, en passant par la détection des composés toxiques dans l'air.
Grâce à leurs minuscules pores de taille nanométrique, ces matériaux sont utiles à de nombreuses applications liées au développement durable, mais comme les chimistes les créent en laboratoire, molécule par molécule, leur développement est lourd et coûteux.
Une équipe de chercheurs de l'Université d'État de Washington et de l'Université d'État de l'Oregon a mis au point un algorithme informatique original qui joue à un jeu de 20 questions, en réduisant rapidement des milliers de structures moléculaires possibles afin de trouver la structure optimale, avec un minimum de coûts et d'efforts. L'étude est publiée dans la revue Molecular Systems Design and Engineering Journal.
« Le principal défi tient au fait que les matériaux nanoporeux sont un mélange de différents éléments chimiques, qu'il faut assembler pour trouver la meilleure combinaison. Ces matériaux offrent une grande variété de briques moléculaires et de structures potentielles, que l'on peut mélanger presque à l'infini. Si nous testions chaque fois en laboratoire de nouvelles configurations de ces éléments et de leurs structures, cela coûterait très cher. Le problème informatique consiste donc à déterminer la bonne combinaison d'éléments présentant les propriétés qui vous intéressent. C'est là qu'intervient notre travail algorithmique fondé sur l'IA »
Dans le cadre de cette étude de faisabilité, les scientifiques ont sélectionné le meilleur candidat parmi les matériaux nanoporeux pour l'absorption du méthane, un puissant gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique. Après avoir évalué seulement 120 candidats possibles, ils ont retrouvé le meilleur candidat déjà connu dans une bibliothèque de 70 000 matériaux, nettement mieux que ne le font les algorithmes traditionnels.
« Les matériaux nanoporeux (MNP) peuvent servir à stocker, capturer et détecter de nombreux gaz différents. Lorsque l'on considère un problème d'adsorption, on souhaite souvent trouver dans la bibliothèque le matériau aux propriétés d'adsorption optimales. Le coût élevé de synthèse des MNP et des mesures d'adsorption de gaz, que ces expériences soient menées en laboratoire ou par simulation, empêche souvent une recherche exhaustive », indique l'étude.
Janna Doppa, co-auteure de l'étude et maîtresse de conférences à l'École d'ingénierie électrique et d'informatique, a déclaré : « Les algorithmes d'Aryan permettent de trouver le meilleur matériau avec moins d'évaluations ». L'une des raisons du bon fonctionnement de l'algorithme tient au fait qu'il prend en compte les structures tridimensionnelles du matériau.
« Nous essayons de rendre la recherche un peu plus intelligente, alors que les méthodes existantes n'ont pas cherché à utiliser des modèles de relation entre la structure d'un matériau et ses propriétés. Nous construisons explicitement des modèles statistiques qui nous ont permis de prédire les propriétés de matériaux inconnus et d'avoir une incertitude bien calibrée, ce qui signifie que vous savez ce que vous ne savez pas. Ainsi, lorsque nous avons exploré l'espace, nous l'avons fait de manière beaucoup plus raisonnée, et non au hasard »
À chaque nouvelle itération, leur algorithme simulait virtuellement une expérience, mettait à jour sa compréhension de la structure et des relations entre les propriétés, puis sélectionnait, sur cette base, un autre matériau nanoporeux.
Les chercheurs cherchent désormais à automatiser davantage la méthode et à la généraliser. Ils ont déjà réalisé des progrès fondamentaux dans cette voie, dans un nouveau document qui sera présenté lors de la conférence NeurIPS 2021 (Conference on Neural Information Processing Systems). Les scientifiques espèrent utiliser ces algorithmes originaux pour améliorer la recherche dans d'autres applications réelles, par exemple la mise au point de catalyseurs utilisés dans des procédés industriels.
Un matériau nanoporeux est un matériau contenant des pores dont la taille se situe dans la plage nanométrique (~1-100 nm). Ce terme sert à indiquer que les propriétés spécifiques du matériau (capteur, adsorption, catalyse, diffusion et autres) sont liées à la présence de nanopores. On peut citer parmi ces matériaux la plupart des membranes, sorbants et catalyseurs connus.
Il existe de nombreux matériaux nanoporeux naturels, mais on peut aussi les fabriquer artificiellement. Pour cela, il faut combiner des polymères ayant des températures de fusion différentes, de sorte que, lors du chauffage, un polymère se décompose. Un matériau poreux dont les pores ont la même taille possède la propriété de ne laisser passer que certaines substances, en bloquant les autres.
Les matériaux nanoporeux sont utilisés dans les masques à gaz, les systèmes autonomes de survie des sous-marins et des stations spatiales habitées. Ils peuvent servir dans des filtres destinés à purifier finement l'air et l'eau des contaminants (notamment des agents chimiques et bactériologiques toxiques). Pour que le matériau fonctionne efficacement, il est important de dépasser le seuil de percolation, au-delà duquel les pores et canaux non connectés entre eux commencent à former des passages traversants permettant le passage d'un fluide.
