Le nouveau standard pour créer les matériaux du futur

Des scientifiques de l’EPFL ont collaboré avec plus de 30 universités et instituts pour établir un nouveau standard en matière de simulation de matériaux. Ensemble, ils ont testé les performances, la precision et les moyens de reproduire les calculs de leurs différents softwares. Leur travail apparaît dans l’édition de Science de cette de semaine.

Ces dernières années, le domaine de la simulation de matériaux a généré un grand effort dans le monde de la science et des technologies. Il faut dire que ces techniques de simulation représentent un changement de paradigme: au lieu de mener des expérimentations dans un laboratoire, les scientifiques utilisent les lois de la physique et des méthodes computationnelles pour reproduire in silico le comportement des matériaux. Mieux encore, en prenant en considération les lois de la mécanique quantique qui régissent le comportement des électrons et des atomes, les chercheurs peuvent prédire des propriétés qui n’ont pas encore été mesurées, ou encore simuler des matériaux qui n’existent pas encore. Cela ne requière pas de disposer d’un laboratoire "physique", ni d’infrastructures majeures. Les scientifiques sont seulement limités par leur propre ingéniosité et la puissance de leurs ordinateurs. (Plus d’informations sur l’état de la recherche en simulation des matériaux dans le "News and Views" de Nicola Marzari paru dans Nature Materials).

Face à ce champ de possibilités extraordinaires, plusieurs initiatives ont vu le jour de par le monde, telle que la "Materials Genome Initiative" aux Etats-Unis et le NCCR Marvel à l’EPFL, ainsi que plusieurs centres d’excellence européens en design des matériaux.

Derrière ces initiatives se trouvent des softwares qui ont été développés des années durant par de nombreuses équipes de scientifiques. Or ces outils impliquent des centaines de milliers de lignes de code, et ils sont devenus si complexes qu’il est impossible de determiner s’ils fonctionnent comme ils le devraient. Une solution s’est alors imposée pour sortir de cette impasse: organiser un "Blind-test" entre les meilleurs software existant.

Des experts réunis pour une collaboration Online
Des scientifiques de l’EPFL ont collaboré avec 30 groupes de recherche de par le monde. Ils ont comparé 40 méthodes différentes pour décrire l’influence de la pression sur 71 sortes de cristaux. A l’image de ce qui se pratique pour établir l’encyclopédie Wikipedia, des discussions et collaborations ont été conduites via Internet.

Deux principaux camps étaient présents. Ceux des calculs "all-electron", qui sont extrêmement précis mais très coûteux à réaliser, et ceux des calculs "pseudopotential", qui se focalisent non seulement sur la précision mais aussi sur l’efficacité maximale des calculs. Les résultats furent instructifs: ils permirent d’identifier deux exceptions majeures, mais aussi de trouver des défauts dans les méthodes de chacun. Finalement, les chercheurs ont pu établir un standard pour une communauté scientifique entière, faisant office de référence de qualité pour les futurs calculs.

Tous les résultats obtenus sont stockés par l’Université de Gand (http://molmod.ugent.be/DeltaCodesDFT ). Le travail de l’EPFL a permis de fournir la librairie la plus précise en terme de modélisation des matériaux, par calculs "pseudopotential"(Solid State Pseudopotential Library – http://materialscloud.org/sssp). C’est la seule librairie à ce jour qui atteint la même précision que ce qui se fait par des calculs "all-electron".

Reproduire un procédé n’est pas toujours chose facile
La recherche menée par les chercheurs a répondu à un réel besoin. Dans le monde de la science, une même expérience menée par différentes personnes devrait toujours déboucher sur le même résultat. Des études récentes ont toutefois démontré que ce n’était pas toujours le cas. Dans des domaines aussi variés que la psychologie ou la recherche génétique, plusieurs cas ont été identifiés où des expériences répétées donnaient des résultats différents. Les prédictions faites par ordinateurs doivent elles aussi être reproductibles et constantes, car la manière dont les modèles théoriques sont implantés peut affecter les résultats des simulations.

Dans l’étude et le design des matériaux, il y avait jusqu’ici plusieurs "packs" de software indépendants disponibles, basés sur la physique quantique. Ces derniers étaient utilisés de plus en plus souvent de manière automatisée, sans supervision humaine, et le fait de savoir si les simulations quantiques pouvaient être reproduites sans couac n’avait pas été étudié.  La raison étant que cette vérification représentait un travail herculéen. La collaboration internationale des 30 universités a maintenant comblé ce manque. Grâce au travail de tous ces scientifiques, un nouveau standard a été établi. Il permet de réaliser les meilleures simulations possibles.

Source:

Reproducibility in density functional theory calculations of solids, Science

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Liens:

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Texte: Nicola Marzari / Laure-Anne Pessina