Malcom : un projet de recherche international pour l’IA appliquée à la chimie des matériaux

Un projet à l’interface entre science des données et science des matériaux, pourquoi ?

Carole Lecoutre Notre laboratoire est spécialisé en chimie du solide et en science des matériaux, principalement inorganiques, de leurs procédés d’élaboration à l’évaluation de leurs propriétés, en considérant la gestion des cycles de vie. Dans le contexte actuel de transition énergétique et de nécessité de décarbonation des industries, il devient urgent d’accélérer la découverte de nouveaux matériaux plus performants et/ou qui se passent d’éléments critiques, mais aussi de procédés de synthèse moins énergivores et plus durables.

En recherche fondamentale, cette accélération nécessite d’utiliser de nouvelles approches, et notamment de se tourner vers des outils de criblage informatique qui permettent d’analyser en peu de temps un très grand nombre de données, qui peuvent être des compositions de matériaux ou encore les paramètres d’un procédé de synthèse, pour identifier les meilleurs candidats et les tester à l’échelle du laboratoire. Des batteries aux matériaux électrochromes, en passant par les procédés de synthèse en (micro)flux, de très nombreux domaines de la chimie des matériaux pourront être impactés par l’IRP Malcom.

Quelle a été la genèse de ce projet à l’ICMCB ?

Cyril Aymonier Ce projet englobe en effet de nombreuses thématiques de recherche du laboratoire. Et j’irais même plus loin : il incarne une véritable stratégie de faire entrer l’ICMCB dans l’ère de la science des données. Avec une forte expertise expérimentale, nous avons encore très peu de compétences en sciences des données. A l’inverse, notre partenaire Belge, le professeur Gian-Marco Rignanese de l’Institut de la matière condensée et des nanosciences de l’Université Catholique de Louvain (UCL), dirige une équipe de modélisateurs qui appliquent les simulations théoriques à haut débit et l’apprentissage automatique à l’étude et au design de matériaux fonctionnels innovants. Avec des quantités énormes de données issues de calculs théoriques, ils sont devenus experts en science des données, de leur sécurisation à leur interprétation. Nous avons besoin de ces compétences pour accélérer la découverte de nouveaux matériaux et procédés, et eux de notre savoir-faire en synthèse et caractérisation pour valider leurs prédictions. Notre complémentarité évidente a rapidement inspiré une collaboration ciblée sur l’IA et la science des matériaux, qui nous semblait la façon la plus stratégique de croiser nos expertises et acculturer les collègues de l’ICMCB à la science des données et au « Machine learning » (ML). L’IRP était l’outil parfait pour créer cette synergie avec des échanges qui avaient d’ailleurs démarré en 2021 par plusieurs séjours de Gian-Marco Rignanese en tant que professeur invité à l’ICMCB. Le dynamisme de cette collaboration et la qualité des projets initiés alors ont démontré l’intérêt de pérenniser et consolider notre collaboration par un IRP.

Quelques exemples de tels projets qui pourraient déboucher sur des nouveaux matériaux ou procédés dans le cadre de Malcom?

Carole Lecoutre Une première étude a eu recours à l’apprentissage automatique pour développer des vitrages intelligents par déposition de couches minces électrochromes^* à effet de mémoire. En combinant expériences et science des données, une cartographie des conditions de dépôts a permis d’identifier l’effet mémoire recherché pour des couches minces d’oxyde de tungstène.

Un autre projet utilise l’apprentissage machine pour analyser de très vastes bases de données comme la Structural Cambridge Database, référentiel mondial des structures cristallines des petites molécules organiques et organométalliques. Le but ici serait d’établir des relations structures-propriétés inédites dans le domaine de l’électronique moléculaire. Ce projet fait suite aux travaux du groupe « molécules et matériaux commutables » de l’ICMCB qui a déjà développé un programme (OctaDist) interactif et visuel pour la détermination de la distorsion structurelle dans les complexes de coordination octaédrique. Ce programme a fait l’objet de la publication la plus citée de l’année 2021 du journal Dalton Transactions.

Et après Malcom, qu’espérez-vous à l’ICMCB ?

Cyril Aymonier : En recherche fondamentale, c’est comme partout : quand les planètes s’alignent, les choses avancent plus vite… Et pour l’ICMCB, c’est le cas à présent. L’IRP Malcom a démarré en janvier dernier, quelques mois après le lancement officiel du programme et équipements prioritaires de recherche exploratoire (PEPR) DIADEM dédié à l’accélération de la découverte de matériaux innovants. Grâce à l’IRP, nous nous acculturons à la science des données et à l’IA, et grâce à DIADEM, de nouvelles plateformes de synthèse, de caractérisation et de calculs théoriques et analyses des données deviennent accessibles à l’échelle de la France. Nous développons d’ailleurs deux de ces plateformes à l’ICMCB, une sur la synthèse haut débit de matériaux et l’autre pour la caractérisation haut débit des matériaux par Diffraction des Rayons X. Ces plateformes vont générer énormément de données qu’il faudra sécuriser et valoriser grâce à l’IA, et avec Malcom, nous serons prêts.

Carole Lecoutre : Cela fait un moment que nous réfléchissons à la problématique de la gestion et la sécurisation des données à l’ICMCB, et pas seulement pour les données de la recherche mais aussi celles des services RH et finances. Grâce à Malcom, ce sont un jour tous les aspects de la science des données, du cahier de laboratoire électronique aux synthèses hauts débits en passant par les contrats de recherche, que nous apprendrons à sécuriser et exploiter. Malcom, c’est donc un outil précieux qui permet de mener à bien un projet de laboratoire. C’est aussi un tremplin vers d’autres projets européens et internationaux, mais ça c’est pour le futur.

* l’électrochromie est la capacité qu’ont certains matériaux de changer de couleur de manière réversible sous l’effet d’une impulsion électrique

Rédacteur: AVR