La simulation numérique au service de la nanoscience

Pour intensifier les collaborations des chercheurs européens dans ce domaine, une infrastucture permanente vient d’être mise sur pied, au sein du réseau d’excellence nommé «Nanoquanta», dont l’UCL est l’un des partenaires.

Au début du 20e siècle, les hommes développaient des objets dont la taille était celle de l’humain : un mètre pour un moteur de voiture et quelques centimètres pour un téléphone. De nos jours, grâce à la miniaturisation, les inventions se conçoivent à l’échelle du micromètre (soit un millionième de mètre) voire du nanomètre (soit un millionième de millimètre, c’est-à-dire 10 000 fois moins que le diamètre d’un cheveu). Ces progrès ont notamment permis de réaliser les ordinateurs portables, les téléphones mobiles et autres appareils électroniques qui nous sont si familiers. En médecine, la miniaturisation ouvre la voie aux implants de très petite taille qui pourront suppléer les déficiences fonctionnelles ou être utilisées comme capteurs pour relever des données d’alerte. En science des matériaux, il est désormais possible d’agir sur les différents constituants à l’échelle des molécules et des atomes de manière à améliorer les performances de l’ensemble.

«Plus que l’émergence d’une véritable discipline nouvelle, la nanoscience peut être considérée comme le résultat de la convergence de différentes disciplines (physique, chimie, biologie, etc.) au niveau des molécules voire des atomes», souligne le Pr Gian-Marco Rignanese (FSA/MAPR), membre, pour l’UCL, du réseau Nanoquanta aux côtés de Xavier Gonze (FSA/MAPR) et Jean-Christophe Charlier (FSA/MAPR). C’est pour favoriser cette multidisciplinarité que l’UCL a créé le centre de recherche CeRMiN* (Research Center in Micro and Nanoscopic Materials and Electronic Devices).

Excitation de la matière

Au sein du CeRMiN, les techniques de simulation par ordinateur et plus particulièrement les calculs ab initio (à partir des principes premiers, mécanique quantique et électromagnétisme, sans recours aux données expérimentales) jouent un rôle important à côté du travail expérimental. «La force prédictive des calculs ab initio s’avère cruciale pour étudier des matériaux nouveaux pour lesquels peu ou pas d’informations expérimentales sont disponibles», précise le Pr Rignanese. Durant ces trois dernières décennies, de nombreux progrès ont été accomplis dans la description ab initio de matériaux réels. «Grâce à l’augmentation ininterrompue de la puissance des ordinateurs, les techniques de simulation ab initio ont permis de traiter avec succès des modèles contenant jusqu’à quelques centaines d’atomes et donc de plus en plus proches des systèmes réels dont la dimension ne cesse de diminuer.»

C’est dans ce cadre que se situe la mise sur pied de l’European Theoretical Spectroscopy Facility (ETSF) par le réseau d’excellence Nanoquanta. «Le projet repose sur une collaboration longue de 15 ans entre d’éminents groupes de calcul ab initio en Europe. L’objectif principal de l’ETSF est de fournir un soutien théorique aux expérimentateurs et industriels à l’échelle de l’Europe», ajoute le Pr Rignanese. «Un peu comme nous le faisons actuellement à l’échelle du CeRMiN».
Michel Otte - Site web : www.cermin.ucl.ac.be