Des matériaux à la nanoéchelle avec des propriétés sur mesure
Les nanomatériaux ont des structures dont l'échelle est celle des atomes et des molécules, ce qui leur confère des fonctionnalités nouvelles qui ne se retrouvent pas avec les mêmes constituants sous forme volumineuse. Le besoin de décrire les diverses échelles de longueur, les comportements et les effets classiques et quantiques rend la modélisation particulièrement difficile Le projet MONAMI («Modeling of nano-scaled advanced materials intelligently»), financé par l'UE, a relevé le défi, en développant des modèles multi-échelles pour rendre compte des comportements au niveau électronique, atomistique, mésoscopique et macroscopique. Ils ont été utilisés pour étudier et prévoir les comportements liés, entre autres, au nanomagnétisme, à la structure électronique corrélée et aux phénomènes hors équilibre. À l'échelle électronique, les méthodes de mécanique quantique décrivent les comportements des électrons et leur relation à la structure et à la fonction d'un matériau. Les molécules, les petites particules ou les points quantiques sont modélisés comme une collection de quelques électrons qui interagissent. Pour des centaines ou des milliers d'atomes comme dans les grandes structures moléculaires ou les nanotubes, les scientifiques combinent le meilleur des théories de structure électronique et de la physique à N corps dans une théorie du champ moyen dynamique (DMFT). Afin de décrire le comportement des nanosystèmes au niveau atomistique, plusieurs outils de la mécanique classique et de la mécanique moléculaire simulent le comportement des matériaux à des échelles allant du nanomètre au micron, indépendamment des comportements électroniques quantiques. À l'échelle mésoscopique, les détails rapides des mouvements atomiques donnent lieu à des modèles à gros grains des mouvements essentiels et des structures à grande échelle. Cependant, le modèle à gros grains développé est construit à partir de données de simulation atomistiques de sorte que les informations de structure importantes au niveau atomique sont propagées via le modèle dans la représentation à gros grains correspondante. Enfin, comme les 1000 atomes ne font environ que 2 nanomètres de longueur et que la plupart des phénomènes de transport présentant un intérêt couvrent des longueurs beaucoup plus importantes, les chercheurs ont utilisé une nouvelle méthode pour étudier le transport sur des échelles de longueur plus grandes. Cette méthode a été développée dans le cadre du projet pour des modèles à l'échelle macroscopique décrivant les comportements en volume des matériaux fabriqués. Le projet MONAMI a fourni des modèles multi-échelles complexes et intégrés de nanomatériaux et de nanosystèmes et il les a appliqués à un certain nombre de matériaux qui auront probablement un impact important sur les produits et les appareils futurs. La disponibilité d'une vision complète des propriétés des matériaux depuis le niveau volumineux jusqu'au niveau électronique sera indispensable pour concevoir de nouvelles fonctionnalités.
