Grâce à des techniques de modélisation informatique innovantes, des scientifiques ont réussi à créer deux nouveaux matériaux magnétiques. 

C’est en utilisant un logiciel permettant de prédire l’énergie atomique, la stabilité et d’autres interactions à l’intérieur d’un modèle informatique, que des chercheurs ont réussi à réduire à 14, une liste comptant initialement 236’115 composés potentiellement prometteurs.

Selon l’équipe de l’Université de Duke, il s’agit là d’une amélioration considérable par rapport aux méthodes traditionnelles d’essai-erreur que les scientifiques utilisent actuellement, et cette nouvelle technique pourrait conduire à la découverte rapide de nouveaux aimants, pouvant être utilisés à des fins diverses, qu’il s’agisse de dispositifs médicaux, ou encore de moteurs de voitures.

« La « prédiction » des aimants est compliquée et leur découverte est très rare », explique l’un des chercheurs, Stefano Curtarolo du Center for Materials Genomics de Duke. « Même avec notre processus de sélection, il a fallu des années de travail pour synthétiser nos « prévisions » », ajoute-t-il.

Avec environ 5% seulement des composés inorganiques connus, démontrant un soupçon de magnétisme, les scientifiques souhaitent développer de nouveaux matériaux en laboratoire, afin de les compléter.

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Une vue microscopique des deux nouveaux matériaux. Crédits : Duke University

Concernant cette recherche, les scientifiques se sont concentrés sur une famille de matériaux appelée alliage de Heusler, qui consiste en un alliage métallique ferromagnétique. L’alliage de Heusler se base sur une phase de Heusler : une phase intermétallique de composition particulière, de structure cristallographique cubique à faces centrées. Les matériaux sont composés d’atomes à partir de trois éléments différents disposés dans l’une des trois structures distinctes, proposant donc 236’115 combinaisons possibles en tout. C’est ensuite en utilisant des modèles informatiques de prototypes potentiels, qui ont su calculer la manière dont les atomes pourraient interagir, ainsi que l’énergie nécessaire pour ce faire, que la liste a pu être rapidement réduite.

Grâce à ces modèles, les scientifiques ont également été en mesure de rechercher des moments magnétiques (grandeur vectorielle permettant de caractériser l’intensité d’une source magnétique) dans chaque composant, ou comment ils réagiraient aux champs magnétiques externes.

Puis, les scientifiques ont pu déterminer les 14 candidats idéaux pour créer de nouveaux matériaux, qui pourraient ensuite être synthétisés en laboratoire. Finalement, la sélection s’est affinée à 4 d’entre eux et en définitive, 2 nouveaux matériaux ont été développés sur plusieurs années de travail.

Bien que le processus de synthèse soit encore relativement lent, travailler sur une quantité limitée de composants potentiels est bien plus facile que d’essayer de trouver la bonne combinaison, dans un groupe de 236’115 composants. C’est pour cette raison que la technique de modélisation informatique pourrait être si utile. « Il peut y avoir tous les types de contraintes ou des conditions spéciales requises, pour qu’un matériau se stabilise », explique un membre de l’équipe, Corey Oses. « Mais devoir choisir parmi 14 possibilités est bien mieux que parmi 200’000 », ajoute-t-il.

Avec le premier nouveau matériau, le Co2MnTi, combinant cobalt, manganèse et titane, les chercheurs ont pu déterminer avec précision les propriétés du nouvel aimant, y compris la température de Curie (soit la température à laquelle le matériau perd son magnétisme). Cette température s’est avérée être de 938 Kelvin (664,85 degrés Celcius), rendant de ce fait le matériau potentiellement utile pour de nombreuses applications commerciales.

Le second nouveau matériau est le Mn2PtPd, un mélange de manganèse, de platine et de palladium. Comme pour le premier matériau, les prédictions concernant ses propriétés se sont révélées d’une précision extrême. Il s’est avéré que le Mn2PtPd est antiferromagnétique, signifiant que les électrons sont répartis uniformément dans leurs alignements et que le matériau n’a pas de moment magnétique interne, mais ses électrons répondent aux champs magnétiques externes. Les scientifiques affirment que ce matériau pourrait notamment être utilisé pour des composants informatiques tels que les disques durs, la mémoire vive (RAM), ainsi que pour des dispositifs de détection de champs magnétiques.

Les scientifiques soulèvent le fait qu’ici, la découverte la plus importante est la méthode utilisée pour trouver ces matériaux. « Ce n’est pas grave si aucun des deux nouveaux aimants s’avère utile dans le futur. La capacité de prédire rapidement leur existence est une avancée majeure dans le domaine et sera très précieuse pour les scientifiques effectuant des recherches dans ce même domaine », conclut Curtarolo.

Source : Science Advances, Duke University

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