Les superhydrides sont des matériaux qui peuvent stocker beaucoup plus d'hydrogène que les hydrures conventionnels et présenter une option très prometteuse pour les applications telles que le stockage d'hydrogène et les matériaux supraconductrices utilisés dans les trains maglexes et l'informatique quantique. Cependant, leur synthèse nécessite des pressions extrêmement élevées – dans l'ordre des dizaines de gigapascals (GPA) – rendant les réactions difficiles à contrôler.
Pour aider à y parvenir, les chercheurs ont réussi à reproduire la réaction de synthèse à haute pression des superhydrides à l'aide d'un modèle d'apprentissage automatique. Ce développement transformateur dans la science des matériaux ouvre la voie au contrôle précis des superhydrides et sert d'exemple pionnier de l'utilisation de l'apprentissage automatique pour prédire les voies de réaction chimique inconnus.
Les résultats ont été publiés dans Actes de l'Académie nationale des sciences le 29 mai 2025.
« Pour donner un exemple de la façon dont ces réactions sont capricieuses, la synthèse du superhydride de calcium (CAH6), qui contient de l'hydrogène à un rapport 1: 6, a pris une décennie à obtenir à partir de la prédiction structurelle initiale « , fait remarquer le professeur Shin-ichi Orimo de l'Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR).
Étant donné que les techniques conventionnelles comme l'analyse thermique sont limitées sous haute pression, le manque de compréhension des processus de réaction a été un goulot d'étranglement majeur dans le développement de superhydrides. Fournir un cadre théorique pour guider leur synthèse n'est pas seulement un défi clé dans la recherche fondamentale, mais aussi une étape critique vers la réalisation d'une société neutre en carbone.
Dans cette étude, une équipe dirigée par le professeur adjoint Ryuhei Sato de la Graduate School of Engineering de l'Université de Tokyo, en collaboration avec le professeur Orimo et le professeur Hao Li de la WPI-AIMR à l'Université Tohoku, et le professeur Chris Pickard de l'Université de Cambridge ont construit un modèle d'apprentissage machine, le potentiel d'apprentissage automatique, les données existantes (premiers principes de calculs) pour l'hydrrogène et le connu Hydrates.
Les simulations utilisant ce modèle ont révélé une voie de réaction unique dans laquelle la surface de l'hydrate de calcium (CAH2) fond pour absorber les molécules d'hydrogène à haute température et pression, et finalement se solidifie dans le superhydride de calcium en vrac (CAH4).
La voie de réaction clarifiée par ce travail – fusion de la surface entraînée par la pression et l'interaction moléculaire, suivie de l'absorption et de la solidification de l'hydrogène – représente un mécanisme commun dans la chimie de l'hydrogène à haute pression. Il approfondit notre compréhension des processus physicochimiques à haute pression et met en évidence le rôle des propriétés de matériaux facilement calculables (telles que les points de fusion) dans la détermination des conditions de réaction. Ces idées peuvent contribuer aux stratégies de synthèse des superhydrides qui les rendent beaucoup plus faciles à développer.
« L'étude établit une nouvelle frontière pour l'apprentissage automatique en démontrant sa capacité à prédire les voies de réaction chimique inconnus, ce qui fait avancer davantage le domaine de la science des matériaux », explique le professeur Orimo.
