La modélisation des matériaux à l'échelle des atomes
Au cours des dernières années, la simulation en champ de phase est devenue la méthode privilégiée pour modéliser des microstructures complexes lors des transformations de phase, à savoir les changements dans la répartition des atomes. Elle permet de décrire les microstructures et leur évolution dans le temps et l'espace, dans des conditions réalistes, et en utilisant des variables conservées ou non. Le projet PHASEFIELD (Approximations to dynamic density functional theory - Phase field simulations on atomic scales), financé par l'UE, avait pour objectif d'étendre les échelles de longueur et de durée des simulations pour modéliser l'auto-assemblage de points quantiques et les interactions moléculaires dans des dispositifs microfluidiques. Plusieurs étapes ont déjà été franchies dans cette direction. À l'aide de l'approche en champ de phase, la microstructure d'un matériau cristallin est modélisée via des équations différentielles partielles, d'ordre élevé. Celles-ci ne peuvent généralement pas être résolues de manière analytique, mais les chercheurs ont développé des outils pour les résoudre numériquement. Les équations continues ont été remplacées par des versions discrètes, et l'échelle temporelle a été adaptée pour obtenir des solutions significatives. En outre, l'équipe du projet PHASEFIELD a étudié les approximations effectuées pour dériver le modèle de champ de phase de la microstructure des cristaux à l'aide la théorie de la fonctionnelle de la densité atomique. L'objectif est de relier le formalisme de la théorie classique avec la nouvelle extension de la modélisation en champ de phase, afin de concevoir des modèles à plusieurs échelles. D'importants progrès ont été réalisés, mais de nombreux défis restent à relever. Il reste à évaluer dans quelle mesure la modélisation de la microstructure révèle comment manipuler les matériaux. Il s'agit là d'un élément essentiel du contrôle qualité des matériaux pour définir la fonctionnalité finale des matériaux. Par exemple, la structure d'un cristal de silicium ainsi que les impuretés qu'il contient déterminent ses performances en électronique. À ce jour, les progrès techniques ont toujours été associés avec la capacité de synthétiser de nouveaux matériaux aux microstructures organisées complexes et d'exploiter leurs propriétés. Les travaux conduits dans le cadre du projet PHASEFIELD sur la modélisation à l'échelle atomique devraient avoir un impact significatif sur la manière dont les matériaux seront conçus et fabriqués dans les années à venir.
Mots‑clés
Échelles atomiques, microstructure, PHASEFIELD, théorie de la fonctionnelle de la densité, matériau cristallin
