Les études d’Adam Willard sur la façon dont les électrons circulent à travers des matériaux enchevêtrés microscopiquement pourraient conduire à de nouveaux types de matériaux photovoltaïques.
Certains matériaux, y compris les métaux, sont constitués d’atomes densément emballés dans un réseau ou un cristal. Ces structures peuvent très bien conduire l’électricité et leur comportement est souvent relativement facile à prévoir. D’autres matériaux, tels que les plastiques et autres polymères, ont beaucoup de désordre dans leurs structures.
Différents produits chimiques. Crédit d’image: pxfuel.com, CC0 domaine public
Adam Willard, professeur agrégé de chimie au MIT, veut éclairer ces structures désordonnées. À l’aide de modèles théoriques et de supercalculateurs de grande puissance, il développe des moyens de simuler les propriétés de ces matériaux désordonnés et de prédire leur comportement. Ce type de modélisation pourrait aider les chercheurs à remplacer les cellules photovoltaïques lourdes et cassantes à base de silicium par des alternatives légères et flexibles entièrement en plastique.
«Notre intérêt est vraiment d’essayer de comprendre le rôle du désordre moléculaire dans les processus physiques qui sont importants à la fois en biologie et en sciences de l’énergie», déclare Willard, qui a récemment obtenu un poste au Département de chimie du MIT. «Nous voulons développer une compréhension plus approfondie de la façon dont les forces moléculaires jouent un rôle dans les processus chimiques qui sont fondamentaux pour la vie et l’industrie.»
Captivé par la chimie
Ayant grandi à Bend, dans l’Oregon, Willard a voulu devenir médecin et est entré à l’Université de Puget Sound à Tacoma, Washington, en tant que spécialisation en médecine. Cependant, à la fin de sa deuxième année, il avait perdu son enthousiasme pour la médecine et a décidé de passer à une double majeure en chimie et en mathématiques.
«Heureusement, le cours suivant que j’ai dû suivre était un cours de premier cycle en mécanique quantique dans le département de chimie, et j’ai adoré», se souvient Willard. «J’ai alors décidé qu’être professeur de chimie serait un travail assez sympa parce que le matériel était si profond et captivant.»
Ayant changé de diplôme en retard, Willard n’avait pas fait beaucoup de recherche en chimie en tant que premier cycle, il a donc décidé de passer un an après l’obtention de son diplôme à travailler dans un laboratoire de spectroscopie expérimentale à l’Université de Puget Sound. «Ce fut une expérience formidable parce que j’ai eu un spectromètre pour moi tout seul, et j’ai pu passer des nuits tardives seul dans le laboratoire, à collecter des données et à réfléchir à des choses. J’ai énormément apprécié cela », dit-il.
Il a fréquenté l’école doctorale de l’Université de Californie à Berkeley, attirée par son programme de chimie théorique. Là, il a utilisé des simulations informatiques pour étudier comment les forces hydrophobes entre de grosses molécules influencent leur comportement, ainsi que comment l’eau affecte les interactions entre ces molécules.
Après avoir terminé son doctorat, Willard est allé à l’Université du Texas à Austin pour faire un post-doctorat étudiant la dynamique quantique, en particulier celles observées dans le photovoltaïque organique – les cellules solaires en plastique. Ces cellules sont légères, faciles à fabriquer et relativement peu coûteuses. Cependant, à l’échelle moléculaire, ces plastiques sont constitués de nombreux brins enchevêtrés, qui présentent des voies complexes pour le transport des électrons.
Une grande partie du travail de Willard dans ce domaine, qui se poursuit depuis qu’il a rejoint la faculté du MIT en 2013, se concentre sur la conception de matériaux qui permettront aux électrons de circuler efficacement d’un site, où ils sont excités par la lumière, jusqu’au point où leur énergie est collectée.
«Pour les applications photovoltaïques, nous voulons organiser les molécules photoexcitables dans une géométrie particulière, de sorte que si nous excitons une molécule, l’électron excité passe à travers le matériau, molécule en molécule, de manière à les guider et à les transformer de manière prévisible,» il dit.
Environnements aquatiques
Dans son laboratoire du MIT, Willard a également continué à étudier les interactions entre l’eau et d’autres molécules. Alors qu’il se concentrait sur les interactions hydrophobes en tant qu’étudiant diplômé, il analyse maintenant les molécules hydrophiles et comment elles interagissent les unes avec les autres dans l’eau.
«Décrire comment les objets hydrophiles interagissent les uns avec les autres dans l’eau est beaucoup plus compliqué car les surfaces peuvent être hydrophiles de différentes manières, alors qu’il n’y a qu’une seule façon d’être hydrophobe. Donc, si j’ai résolu le problème hydrophobe pour un cas, je l’ai résolu pour tous les cas. Cependant, le comportement des particules hydrophiles dépend beaucoup de la façon dont elles sont hydrophiles, par exemple, les surfaces chargées positivement et négativement ont des influences différentes sur l’eau environnante », explique Willard.
Certains types importants d’interactions hydrophiles comprennent les interactions protéine-protéine et les interactions protéine-médicament. Ces molécules forment souvent de faibles liaisons hydrogène qui aident à les maintenir ensemble. L’eau peut affecter ces liaisons, influençant la force de liaison entre deux protéines ou une protéine et un médicament.
Au cours des dernières années, le groupe de recherche de Willard a développé des méthodes de calcul pour analyser l’environnement d’hydratation entourant une protéine et comment il dépend de la conformation d’une protéine. Ils utilisent maintenant des techniques d’apprentissage automatique, similaires à celles utilisées pour apprendre aux modèles informatiques à reconnaître des objets, pour identifier les sites d’une protéine qui pourraient être ciblés par des médicaments particuliers.
Un autre domaine de recherche de son laboratoire concerne les interactions qui se produisent sur des surfaces où se produisent des réactions électrochimiques, comme celles que l’on trouve dans les batteries. Ces interactions sont généralement difficiles à simuler car la description du chemin des électrons dans les électrodes nécessite d’énormes ressources de calcul, mais le laboratoire de Willard a développé des méthodes pour rendre cette description plus efficace. Ce type de modélisation pourrait aider les chercheurs à concevoir de meilleurs systèmes de batteries ou électrocatalytiques.
«Nous espérons que nos contributions fourniront à la fois une nouvelle théorie fondamentale qui aidera les gens à mieux comprendre ces systèmes, mais aussi dans des cas spécifiques, fourniront des principes de conception moléculaire qui peuvent être appliqués», déclare Willard.
Écrit par Anne Trafton
La source: Massachusetts Institute of Technology
