Un logiciel de simulation automatisé crée une carte mondiale des propriétés des polymères

"L'informatique des matériaux (MI), une nouvelle branche de la recherche sur les matériaux qui combine les données sur les matériaux avec la science des données, gagne du terrain", a déclaré le coauteur Yoshihiro Hayashi, professeur adjoint à l'Institut de mathématiques statistiques de l'Organisation de recherche sur l'information et la science (ROIS). Hayashi est également affilié au département d'ingénierie mécanique de l'université de Tokyo. "L'IM applique l'apprentissage automatique pour prédire de nouveaux matériaux aux propriétés innovantes et leurs méthodes de fabrication à partir d'un vaste espace de conception. À ce titre, les données constituent la ressource la plus importante de l'IM."

Selon M. Hayashi, malgré cette nécessité, les efforts déployés pour créer une base de données complète sur les propriétés des polymères afin de permettre une recherche axée sur les données n'ont pas abouti.

"Pour construire une base de données des propriétés des polymères par des simulations moléculaires, nous avons développé RadonPy", a déclaré Hayashi. "C'est le premier logiciel libre qui automatise avec succès les calculs des propriétés physiques des polymères à l'aide de simulations de dynamique moléculaire classique basées sur des modèles atomistiques - qui tiennent compte des comportements et des caractéristiques des constituants individuels."

Le programme prend un polymère attribué et effectue des calculs pour l'équilibrer dans les paramètres prescrits du système. Il peut ensuite calculer la densité du polymère, son rayon de giration, son indice de réfraction, sa conductivité thermique, ses capacités thermiques spécifiques à pression constante et à volume constant, entre autres informations. RadonPy produit et stocke les données, qui peuvent être consultées ultérieurement. Les chercheurs ont également mis en œuvre une technique d'apprentissage automatique appelée apprentissage par transfert pour corriger les biais et les variations entre les valeurs des propriétés simulées et les données expérimentales.

"Dans cette étude, plus de 1 000 polymères amorphes uniques ont été calculés en deux mois environ, principalement à l'aide du superordinateur Fugaku", a déclaré le coauteur Ryo Yoshida, professeur à l'Institut de mathématiques statistiques de ROIS, la division de la recherche et des services de l'Institut national des sciences des matériaux pour les données sur les matériaux et le système intégré et le département des sciences statistiques de l'Université supérieure des études avancées. "Le programme met en œuvre un ensemble de fonctions de calcul automatique pour 15 propriétés différentes, qui ont été systématiquement comparées aux données expérimentales pour valider les conditions de calcul. Nous avons également vérifié de manière exhaustive l'accord entre six propriétés obtenues à partir de calculs de dynamique moléculaire à haut débit et les valeurs expérimentales."

Selon M. Yoshida, l'équipe de recherche a également identifié huit polymères amorphes à haute conductivité. À présent, le groupe utilise RadonPy pour créer la plus grande base de données ouverte au monde sur la physique des polymères, avec plus de 100 000 espèces de polymères différentes. En plus de ROIS, trois universités et 19 entreprises sont en partenariat pour développer conjointement d'autres bases de données avec RadonPy pour une variété d'applications dans le monde universitaire et l'industrie.

"Ce projet permettra de créer une carte mondiale des propriétés des matériaux polymères", a déclaré Hayashi. "De telles observations exhaustives ne peuvent être réalisées uniquement par des approches expérimentales nécessitant des coûts considérables, comme dans la synthèse des matériaux. Cette recherche est le premier pas vers un nouvel horizon de la science des polymères."