De nouvelles méthodes de calcul pour étudier des matériaux spéciaux
Ces dernières années, l’étude des propriétés électroniques des nouveaux matériaux a connu un essor remarquable, en particulier lorsqu’ils sont excités par un rayonnement électromagnétique. L’accent a été mis sur l’exploration des propriétés du graphène ou des nano-objets tels que les nanofils, les nanotubes ou les nanobilles, afin qu’ils puissent être conçus de manière appropriée pour avoir les propriétés optiques souhaitées. Encouragé par les propriétés attrayantes se manifestant à petite échelle, le projet QHYDRO, financé par l’UE, a développé de nouvelles méthodes et de nouveaux modèles pour étudier la dynamique quantique des nano-objets dans d’autres matériaux peu communs. Les nouvelles techniques s’apparentent à celles utilisées pour étudier la physique des liquides et des gaz. Quand efficacité rime avec simplicité La technologie moderne permet de produire de nombreuses sortes de nano-objets en grande quantités. «Ces matériaux spéciaux comprennent des objets extrêmement petits dont la taille approche le millionième de millimètre (nanomètre). C’est environ 20 fois la taille d’un atome d’hydrogène», note le Dr Giovanni Manfredi, chercheur titulaire d’une bourse Marie Curie, qui a dirigé QHYDRO. Comprendre et simuler des processus dynamiques à l’échelle nanométrique nécessite souvent des outils de calcul coûteux, qui s’exécutent sur des ordinateurs de grande puissance. Jusqu’à présent, la théorie de Mie semblait constituer le modèle idéal pour décrire les propriétés optiques des nanoparticules. Sa principale limite réside toutefois dans le fait qu’elle néglige les effets quantiques, qui peuvent s’avérer cruciaux pour les tout petits nano-objets. Parmi les autres méthodes classiques utilisées par les chercheurs pour étudier la réponse électronique au rayonnement électromagnétique, citons la théorie fonctionnelle de la densité en fonction du temps ou la théorie de Hartree-Fock, deux méthodes très gourmandes en temps et en espace mémoire. QHYDRO a développé et mis en œuvre des méthodes de calcul avancées, suffisamment simples pour fonctionner sur des ordinateurs classiques. Malgré leur simplicité, elles contiennent suffisamment d’informations qui devraient permettre aux scientifiques de mieux comprendre la réponse électronique des matériaux aux impulsions électromagnétiques ou aux courants électriques. Les nouvelles méthodes ne reposent pas sur le modèle de Mie mais permettent plutôt d’étudier des géométries plus complexes et plus réalistes, comme celles qui se forment dans les réseaux de nanoparticules en interaction. Les chercheurs ont notamment concentré leurs efforts sur l’exploration des propriétés des allotropes de carbone et des nano-objets métalliques. Le premier matériau étudié était le fullerène C60. C’est le type de fullerène le plus connu, composé de 60 atomes de carbone formant un polyèdre. «Les fullerènes sont caractérisés par leur intérieur creux, qui confère au matériau des propriétés électroniques extraordinaires lorsqu’il est irradié par la lumière. Dans une certaine mesure, ils absorbent et réfléchissent la lumière comme des métaux», explique le Dr Manfredi. L’équipe du projet a également étudié les nanobilles de sodium et d’or. Il s’agit de nano-objets nettement plus volumineux que les fullerènes, leur diamètre étant compris entre 10 et 100 nm. Applications potentielles Les nanomatériaux présentant certaines propriétés utiles sont particulièrement intéressants pour les applications informatiques et électroniques à haute performance. «Les nano-objets sont particuliers car ils se situent à la frontière entre les domaines macroscopique et quantique, là où la physique newtonienne classique et la mécanique quantique font loi», note le Dr Manfredi. Ils offrent la possibilité de traiter, de transmettre et de stocker de plus grandes quantités d’informations, ainsi que de développer des filtres et des guides d’onde robustes. Ils sont également susceptibles de contribuer aux progrès de la médecine, car ils peuvent agir comme vecteurs dans l’administration de médicaments, améliorer la radiothérapie et permettre d’établir un diagnostic médical plus rapide ainsi que d’élaborer de meilleurs capteurs biomédicaux.
Mots‑clés
QHYDRO, nano-objet, fullerène, électromagnétique, méthode de calcul, nanobille, dynamique des fluides, dynamique quantique
