Physique de la matière condensée

Le Dr Nikolas Provatas se sert de modèles et de simulations informatiques pour apprendre comment concevoir des matériaux et des produits de meilleure qualité, autant sur le plan microscopique que macroscopique.

Dr. Nikolas Provatas - condensed matter physics

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Dr. Nikolas Provatas

Dr. Nikolas Provatas

Professeur, physique de la matière condensée, Université McGill
Chaire de recherche du Canada en informatique appliquée à la science des matériaux
Directeur scientifique, Centre de calcul informatique de pointe McGill (un nœud de Calcul Canada)
Membre, Comité des initiatives nationales, Calcul Canada

Secteur de recherche
M. Provatas travaille à l’interface de la physique de la matière condensée et de la science des matériaux. Il recourt à l’informatique de pointe, aux principes de la mécanique statistique et à l’expérimentation pour comprendre comment les microstructures évoluent (de l’échelle du dix milliardième de mètre, environ, à celle du centième de millimètre) lors du conditionnement des matériaux et cherche à voir comment ceci pourrait être transposé à l’échelle industrielle. Plusieurs problèmes sur lesquels il se penche émanent d’entreprises qui aimeraient savoir comment optimiser les matériaux et leur performance dans des applications précises, ou découlent directement d’un tel intérêt.

Pertinence de la recherche
La structure interne des matériaux influe sur le fonctionnement des avions, des automobiles, des ponts, des bâtiments et d’autres ouvrages. Une voiture faite d’un alliage plus léger, à base d’aluminium ou de magnésium, par exemple, exigera moins de métal, ce qui se traduira par une économie lors de la fabrication et par l’allègement du véhicule, qui consommera moins d’essence, donc coûtera moins cher au consommateur.

Vous avez fait des études en physique des matériaux et en génie. De quelle appliquez-vous cette expérience à vos recherches actuelles?
Je suis ce qu’on pourrait appeler un spécialiste de la science des matériaux numérique. Je formule des théories puis je les vérifie sur des modèles et des simulations informatiques pour découvrir comment perfectionner un matériau ou un produit en partant de l’atome. La façon dont la matière s’assemble agit directement sur le comportement du matériau — sa robustesse, sa ductilité, la façon dont il conduit l’électricité et dont la chaleur le traverse. Ce sont des questions de physique pure qui aideront l’industrie à produire plus rapidement des matériaux intelligents.

Pouvez-vous nous donner un exemple?
L’aile d’un avion doit avoir une solidité à toute épreuve, mais aussi une grande légèreté. Pour cela, il faut utiliser de l’aluminium spécialement conditionné plutôt que de l’acier, qui est très lourd. Un semi-conducteur doit posséder une structure cristalline particulière pour offrir le type de conductivité électrique nécessaire à l’électronique moderne. Des défauts dans le matériau nuiront à sa performance. Par conséquent, en comprenant comment ce matériau est transformé et structuré, on se fera une meilleure idée de sa performance dans des conditions normales. C’est un sujet qui intéresse énormément les fabricants et ceux qui développent des produits.

Calcul Canada a-t-il de l’importance pour vos travaux?
Calcul Canada est un peu mon laboratoire virtuel. Il satisfait à la plupart de mes besoins en cycles de calcul et en stockage, ainsi qu’à ceux de mes étudiants dans le cadre de nos recherches. Amener une idée jusqu’au stade de l’innovation signifie pouvoir hausser l’échelle des problèmes en recourant à des paramètres et à des systèmes aux dimensions pertinentes pour l’industrie. Le faire sur un ordinateur personnel serait impensable.

Une partie de vos travaux est-elle financée par l’industrie?
À peu près la moitié pour l’instant. Ainsi, je collabore avec Novelis (dont le centre de technologie mondial se trouve à Kingston) pour élucider la microstructure et le développement de phases dans l’aluminium en feuilles. En précisant les liens qui existent entre la microstructure et le refroidissement ainsi que la chimie, Novelis espère optimiser ses procédés pour obtenir un meilleur matériau. Je poursuis aussi un projet avec IBM, à son Centre de collaboration MiQro Innovation (C2Mi). L’objectif est de comprendre comment les circuits électroniques préparés à l’installation de Bromont peuvent être conçus à l’échelle de la microstructure pour qu’ils supportent mieux les contraintes associées au procédé de fabrication. Encore une fois, le projet repose sur la capacité de modélisation qu’autorise la plateforme de Calcul Canada pour obtenir les résultats souhaités.

Quel est le principal avantage de la modélisation sur ordinateur?
Les modèles informatiques coûtent moins cher, exigent moins de temps et sont plus efficaces que l’expérimentation classique en laboratoire. Quand on procède par tâtonnements, il est impossible de savoir si on a décroché le gros lot, si le matériau obtenu est meilleur que celui employé au départ. La simulation vous plonge dans un laboratoire virtuel où l’on peut synthétiser virtuellement des matériaux puis les transformer grâce aux ressources de Calcul Canada et passer à l’usine en vue de fabriquer un meilleur semi-conducteur, de l’acier ou de l’aluminium évolué, voire un biomatériau.

Quelles sont vos responsabilités à titre de directeur de site scientifique au nœud de Calcul Canada, à l’Université McGill?
Mon rôle consiste à diriger la mission scientifique du centre [de CIP McGill HPC]. Les chercheurs ont à cœur la recherche qui recourt à ce type d’installation. Ils veulent une informatique conviviale, efficace et fiable pour leurs travaux. En tant que fournisseur de service, nous veillons à ce qu’ils obtiennent ce qu’ils désirent. Nous nous occupons de la basse besogne, qu’il s’agisse d’installer le logiciel, de trouver le stockage adéquat ou de configurer le matériel. Parallèlement, nous surveillons la direction empruntée par des domaines scientifiques très gourmands en données comme la génomique, la science des matériaux, la neurologie, l’aérodynamique, etc., et nous devons adapter à l’avance les machines et les équipes pour desservir les créneaux qui auront un impact majeur sur l’économie et la société.

La recherche sur le cerveau est un autre domaine qui nécessite de puissantes ressources informatiques. De quelle façon Calcul Canada et le Centre de CIP McGill HPC concourent-ils aux progrès réalisés dans cette importante discipline?
Allan Evans, à l’Université McGill, est le seul Canadien membre de l’équipe internationale de chercheurs qui s’est attelée au Human Brain Project (une initiative de 1,6 milliard de dollars visant à convertir les complexités de l’encéphale humain en une simulation à couches multiples sur ordinateur). Il pilote aussi le projet CBRAIN, financé par CANARIE, qui consiste à créer une plateforme permettant de traiter de façon répartie et de partager les images 3D/4D du cerveau dans cinq instituts de recherche canadiens. Ces deux projets font appel aux centres de Calcul Canada afin que les médecins et les chercheurs aient facilement accès aux données et puissent en tirer des connaissances pratiques sur l’évolution du cerveau et les maladies qui l’affectent.

Cette infrastructure informatique est logée dans des universités. Qu’en retire l’industrie?
Trois sérieux avantages. Tout d’abord, collaborer avec le milieu universitaire, c’est multiplier chaque dollar qu’investit l’industrie par trois ou quatre grâce à plusieurs généreux programmes de financement de contrepartie du Canada et des provinces. Il serait insensé de ne pas en profiter pour un industriel. En échange, l’industrie bénéficie directement des travaux réalisés à l’université, travaux qui s’appuient sur les ressources de Calcul Canada. Apprendre à concevoir un alliage plus robuste en fonction de sa masse, un meilleur cristal liquide ou un meilleur polymère en est un exemple. Enfin, il y a les étudiants qui sont formés pour exploiter le lien capital entre le CIP, la recherche pure et les applications du monde réel. Environ la moitié de mes étudiants ont migré vers l’industrie ou trouvé un emploi qui a des liens avec l’industrie. Ils sont la base des secteurs industriels plus technologiques qui dépendent de l’informatique.

Outre l’infrastructure informatique, comment Calcul Canada pourrait-il faire progresser ce secteur?
 Nous sommes encore loin de pouvoir créer virtuellement – à partir de leur microstructure – des matériaux possédant certaines propriétés en vue d’une application précise. Pour cela, nous aurons d’abord besoin d’une culture de l’éducation dans laquelle la modélisation sera perçue comme un élément du grand tout. Calcul Canada joue un rôle déterminant en montrant ce qu’est le CIP, comment s’en servir et comment l’intégrer à la recherche et au développement pour en faire un outil habilitant. Il faut aussi assurer une certaine coordination à l’échelon national pour que les chercheurs disposent d’une plateforme qui leur permettra d’accéder aux données, de les manipuler et de les analyser aisément, ainsi que de travailler en collaboration sans avoir à apprendre tout le côté technique. Voilà, à mon avis, le rôle de plus en plus important que Calcul Canada jouera à l’avenir.

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