Les matériaux poreux multivariés (MTV) sont comme une «collection de blocs LEGO», permettant une conception personnalisée à un niveau moléculaire pour créer librement les structures souhaitées. L'utilisation de ces matériaux permet un large éventail d'applications, notamment le stockage et la conversion d'énergie, ce qui peut contribuer de manière significative à la résolution des problèmes environnementaux et à la progression des technologies énergétiques de nouvelle génération.
Les chercheurs de l'Institut avancé des sciences et de la technologie (KAIST) de la Corée ont, pour la première fois, introduit l'informatique quantique pour résoudre le problème difficile de la conception de MTV complexes, ouvrant un chemin innovant pour le développement de catalyseurs de nouvelle génération, de membranes de séparation et de matériel de stockage d'énergie.
L'article, « La conception basée sur l'informatique quantique de matériaux poreux multivariés » est publié dans la revue ACS Science centrale.
L'équipe de recherche du professeur Jihan Kim au département de génie chimique et biomoléculaire de l'université a développé un nouveau cadre qui utilise un ordinateur quantique pour explorer efficacement l'espace de conception de millions de MTV.
Les matériaux poreux MTV sont des structures formées par la combinaison de deux ligands biologiques ou plus (liens) et des matériaux de blocs de construction comme les grappes de métaux. Ils ont un grand potentiel d'utilisation dans les domaines de l'énergie et de l'environnement. Leurs combinaisons de composition diverses permettent la conception et la synthèse de nouvelles structures. Les exemples incluent l'adsorption du gaz, la séparation mixte du gaz, les capteurs et les catalyseurs.
Cependant, à mesure que le nombre de composants augmente, le nombre de combinaisons possibles augmente de façon exponentielle. Il a été impossible de concevoir et de prédire les propriétés des structures MTV complexes en utilisant la méthode conventionnelle de vérification de chaque structure avec un ordinateur classique.
L'équipe de recherche a représenté la structure poreuse complexe comme un « réseau (graphique) dessiné sur une carte », puis a converti chaque point de connexion et type de bloc en qubits qu'un ordinateur quantique peut gérer. Ils ont ensuite demandé à l'ordinateur quantique de résoudre le problème: « Quels blocs devraient être organisés à quel rapport créer la structure la plus stable? »
Parce que les ordinateurs quantiques peuvent calculer plusieurs possibilités simultanément, c'est comme répandre des millions de maisons Lego à la fois et choisir rapidement la plus solide. Cela leur permet d'explorer un grand nombre de possibilités – ce qu'un ordinateur classique devrait calculer un par un – avec beaucoup moins de ressources.
L'équipe de recherche a également mené des expériences sur quatre structures MTV différentes qui ont déjà été signalées. Les résultats de la simulation et de l'ordinateur quantique IBM étaient identiques, démontrant que la méthode «fonctionne bien».
À l'avenir, l'équipe prévoit de combiner cette méthode avec l'apprentissage automatique pour l'étendre dans une plate-forme qui considère non seulement la conception structurelle simple mais aussi la faisabilité de la synthèse, les performances d'adsorption des gaz et les propriétés électrochimiques simultanément.
Le professeur Jihan Kim a déclaré: « Cette recherche est le premier cas à résoudre le goulot d'étranglement de la conception complexe de matériaux poreux multivariés en utilisant l'informatique quantique.
« Cette réalisation devrait être largement appliquée en tant que technologie de conception de matériaux personnalisée dans les champs où la composition précise est essentielle, telle que la capture et la séparation du carbone, les réactions catalytiques sélectives et les électrolytes conducteurs d'ions, et il peut être étendu de manière flexible à des systèmes encore plus complexes à l'avenir. »
doctorat Les candidats Sinyoung Kang et Younghoon Kim, du Département de génie chimique et biomoléculaire, ont participé en tant que co-prirs auteurs de cette étude.
