Un coffre à trésors pour experts en nanotechnologies

Ils sont prometteurs de nouvelles applications et d’appareils plus performants, petits et moins gourmands en énergie. Les matériaux 2D - dont la particularité est d’être formés de couches de quelques atomes d’épaisseur - sont potentiellement le futur de la nanotechnologie. Etudiés depuis environ quinze ans, seules quelques dizaines d’entre eux ont toutefois été synthétisés à ce jour. Mais la mise au jour de nouvelles matières de ce type pourrait bien connaître un coup d’accélérateur grâce à une approche développée par des chercheurs du Laboratoire de théorie et simulation des matériaux de l’EPFL (THEOS) et du NCCR MARVEL pour la conception et découverte des nouveaux matériaux par la simulation. Leur travail a récemment été présenté dans la revue Nature Nanotechnology, dont il fait même la couverture.

Le premier matériau 2D identifié était le graphène. Sa découverte en 2004 a même valu en 2010 le Prix Nobel à ses auteurs. Elle a également ouvert une nouvelle ère dans le monde de l’électronique, sa légereté, transparence, résistance et surtout grande conductivité électrique offrant de nouvelles perspectives dans de nombreux domaines, tels que le photovoltaïque ou l’optoélectronique.

«Afin de trouver d’autres matériaux aux propriétés similaires, nous avons notamment cherché ceux qui sont exfoliables, c’est-à-dire dont on peut séparer les couches les unes des autres, explique Nicolas Mounet, chercheur au laboratoire THEOS et premier auteur de l’étude. Pour ce faire, nous n’avons pas repris la méthode des lauréats du Nobel, qui collaient des bandes adhésives sur du graphite pour voir si celui-ci s’effeuillait, mais opté pour une méthode numérique».

Plus de cent mille matériaux analysés

Les scientifiques ont donc développé un algorithme qui a permis de passer en revue et d’analyser en détails la structure de plus de 100'000 matériaux 3D bruts documentés dans des bases de données externes. Résultat: ils ont créé une base de données de candidats 2D contenant quelque 5'600 entrées, dont plus de 1000 spécialement intéressantes. Autrement dit, un véritable coffre à trésors pour experts en nanotechnologies...

Pour réaliser ce travail, les chercheurs ont procédé par élimination et étape par étape. Ils ont tout d’abord repéré tous les matériaux dotés d’une organisation en couches disjointes les unes des autres. «Dans une phase ultérieure, nous avons étudié plus précisément la chimie de ces matériaux et calculé l’énergie qui serait nécessaire pour séparer les couches, portant essentiellement notre attention sur ceux dont les liaisons entre atomes d’une couche à une autre ne sont pas trop fortes, qui sont appelées liaisons van der Waals», ajoute Marco Gibertini, chercheur au laboratoire THEOS et second auteur de l’étude.

Avalanche de candidats 2D

Sur les 5'600 élements recensés au départ, les scientifiques ont d’abord identifié 1800 structures potentiellement exfoliables, dont 1036 davantage que les autres, augmentant considérablement le nombre de matériaux 2D potentiels connu à ce jour ! Puis, ils ont sélectionné parmi ces derniers les 258 les plus prometteurs, les classant en fonction de leurs propriétés magnétiques, électroniques, mécaniques, thermiques ou topologiques.

«Cette étude démontre que les méthodes numériques peuvent véritablement booster la découverte de nouveaux matériaux, commente Nicola Marzari, directeur du NCCR MARVEL et professeur au laboratoire THEOS. Auparavant, les chimistes partaient de zéro et essayait de nouvelles pistes, encore et encore, ce qui demandait des heures de labeur en laboratoire et une certaine dose de chance. Notre approche permet d’éviter ce travail long et frustrant, en offrant un outil qui définit quelles matières valent la peine de prospections supplémentaires, restreignant et concentrant ainsi le champ des recherches.»

Pour finir, les scientifiques ont fait en sorte que tous leurs calculs puissent être reproduits grâce au logiciel AiiDA qui, pour tous les matériaux découverts, présente le processus sous forme de «workflows», et indique la provenance complète de chaque étape de calcul. «Sans le code AiiDA, il aurait été très compliqué de combiner et traiter différentes sortes de données, explique Giovanni Pizzi, scientifique senior dans le groupe THEOS et co-auteur de l’article. Par ailleurs, en rendant nos workflows disponibles publiquement, n’importe qui dans le monde peut non seulement refaire nos calculs, mais également les appliquer à un matériau de son choix afin de découvrir s’il peut être exfolié.»