Ted Sargent : sauver la planète avec la nanoscience

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Ted Sargent raconte que lorsqu’il a commencé à travailler dans son laboratoire de nanoscience à l’Université de Toronto, il y a 18 ans, son groupe se composait d’une « équipe d’expérimentateurs talentueux ». Leurs expériences laborieuses donnaient des résultats, bien sûr, mais le groupe était également au courant de nouveautés prometteuses qui commençaient à apparaitre du côté de la science numérique des matériaux et qui pourraient leur fournir des raccourcis et accélérer leurs travaux.

« Nous nous sommes demandé : pourrait-on faire une expérience sans faire une expérience? poursuit Sargent. Pourrait-on prévoir un nouveau matériau pour une cellule solaire ou la façon dont fonctionnerait un nouvel émetteur de lumière ou un nouveau catalyseur, sans vraiment effectuer le travail expérimental en tant que tel? En d’autres mots, serait-il possible de prédire ces résultats par la résolution d’équations informatiques compliquées prenant en compte de nombreux atomes? »

Il s’avère qu’avec suffisamment de puissance de calcul et d’études théoriques, de plus en plus, on peut le faire. Avance rapide jusqu’à ce jour : le groupe de Sargent est devenu une équipe intégrée qui utilise l’informatique appliquée à la science des matériaux et la fabrication de matériaux expérimentaux pour produire de meilleurs appareils dans ses trois principaux domaines de recherche. D’une manière générale, il s’agit de cellules solaires rentables, d’émetteurs de lumière vive et de catalyseurs à faible consommation d’énergie.

En ce qui a trait aux cellules, le groupe s’emploie à en créer de plus efficaces en utilisant de nouveaux matériaux.

« Pour être concurrentiels par rapport aux combustibles fossiles, nous devons convertir l’énergie du soleil en alimentation électrique plus efficacement que nous le faisons à l’heure actuelle. Cela demande un réglage précis des matériaux utilisés dans la cellule solaire, » explique Sargent, qui ajoute que son équipe a réalisé des progrès intéressants dans ce domaine.

Sur le front de l’émission lumineuse, le groupe de Sargent s’intéresse aux options vertes pour des fonctions comme l’affichage informatique, la projection de données et l’éclairage.

« Les technologies vertes promettent d’excellents rendements énergétiques, mais pour retenir l’intérêt des consommateurs, nous devrons faire des progrès du côté de la pureté des couleurs, de la résolution de l’affichage, pour donner une image réaliste, et de l’éclairage, qui devra être aussi naturel que possible. »

Dans le dossier des catalyseurs, le projet concerne le stockage d’énergie.

« L’énergie solaire qui atteint la surface de la Terre varie, par exemple, lorsque le soleil se couche, la nuit, ou lorsqu’un nuage le cache. Il y a également moins d’heures d’ensoleillement en hiver, indique Sargent. Les moments où nous pouvons générer de l’électricité à partir du soleil ne correspondent pas aux moments où nous en avons habituellement besoin, comme en hiver, où il nous faut plus d’énergie à cause du froid. Il y a donc un intérêt à stocker l’énergie à très long terme. Notre projet explore une solution chimique. Nous utilisons l’électricité solaire pour synthétiser un carburant qui pourra ensuite être consommé quand nous le voudrons. »

Un aspect intéressant de cette méthode, remarque Sargent, c’est qu’elle prend le CO2 de l’atmosphère, ou de la cheminée d’une industrie, et utilise de l’énergie renouvelable pour le transformer en carburant à base de carbone ou en stock d’alimentation chimique.

« Ces produits chimiques à base de carbone sont ceux avec lesquels nous travaillons déjà lorsque nous faisons la combustion de carburant fossile, continue-t-il, sauf que le nôtre est synthétisé par la consommation d’énergie renouvelable et de CO2, complétant le cycle en produisant une électricité décarbonée. »

L’un des catalyseurs convertit le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, ce qui est essentiel pour fabriquer du carburant synthétique de bonne qualité comme le méthanol et le diésel. Les simulations et les études de l’équipe de Sargent ont trouvé la façon dont des électrodes très pointues – qui sont en fait des paratonnerres nanométriques – peuvent augmenter le taux de ces importantes réactions. Leur découverte a été publiée dans la revue Nature et a fait le tour du monde.

Les premières expériences des physiciens ont donné des résultats intéressants, mais pour pousser encore l’amélioration des matériaux, ils avaient besoin de comprendre comment ceux-ci fonctionnent au niveau atomique.

« La division de l’eau en hydrogène et en oxygène constitue l’autre moitié de la réaction nécessaire à la production des carburants. Nous avons faits les meilleurs catalyseurs pour produire de l’oxygène gazeux, mais nous ne comprenions pas complètement comment ils fonctionnaient, ce qui nous empêchait de progresser, précise Sargent. Nous avons collaboré avec un autre groupe, de Standford, qui travaillait à prévoir la qualité des catalyseurs et nous avons réussi à comprendre la physique qui explique pourquoi ceux que nous avons fabriqués fonctionnent mieux que tous les autres. » Cette compréhension du phénomène, qui a augmenté la valeur de notre travail, a été publiée en mars 2016 dans la revue Science.

Pour travailler à tous ces progrès, le groupe utilise les ressources de Calcul Canada. Elles soutiennent tout ce que nous faisons, souligne Sargent, améliorant grandement la compétitivité internationale de notre groupe.

« Sans Calcul Canada, nous aurions un bien moins grand avantage dans le paysage scientifique mondial, affirme-t-il. L’accès à d’excellentes capacités de calcul ainsi que l’assistance de personnes très brillantes pour bien les utiliser nous ont permis d’avancer plus rapidement que certains de nos collègues. Nous pouvons effectuer des cycles plus rapides et développer des modèles physiques qu’il nous serait impossible de faire autrement. Partout dans le monde, on travaille à la production de meilleurs catalyseurs pour les carburants solaires et nous pouvons gagner la course. »

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