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Des logiciels qui accélèrent la découverte dans la science des matériaux

Posted
on 4 October, 2016

Un billet de Scott Henwood, Directeur, Logiciels de recherché

Mes billets précédents parlaient de quelques logiciels de pointe mis au point dans le cadre du programme Logiciels de recherche de CANARIE. CANARIE n’est toutefois pas le seul organisme à soutenir financièrement l’élaboration de logiciels scientifiques au Canada aussi, dans l’optique d’une plus grande collaboration et d’une meilleure réutilisation, il importe de mettre en relief tous ceux que l’on développe au pays. Après cette entrée en matière, ce nouveau billet braquera donc les projecteurs sur OpenPNM, un logiciel spécialisé dans la science des matériaux réalisé par Jeff Gostick et son équipe, à l’Université McGill.

Les matériaux : une science fondamentaleshutterstock_364214297

La science des matériaux fait rarement la manchette dans les rubriques scientifiques des médias. On peut le déplorer, car cette science sous-tend bon nombre de technologies que nous utilisons quotidiennement. De quoi l’écran de votre téléphone intelligent est-il fait, au juste, pour qu’il survive à une chute de plus d’un mètre (habituellement)? Et pourquoi le pont de la Confédération qui relie l’Île-du-Prince-Édouard au Nouveau-Brunswick n’est-il pas réduit en miettes par la glace qui recouvre ce bras de mer en hiver?

Comprendre les matériaux est si élémentaire dans le monde des sciences que les chercheurs dans maints domaines effectuent aussi de la recherche sur la matière. Ainsi, un physicien en étudiera les propriétés conductrices, optiques et magnétiques pour faire progresser l’électronique et les communications; un chimiste pourrait étudier les polymères en vue de perfectionner des plastiques et de créer de nouveaux matériaux synthétiques; enfin, un biologiste pourra même travailler avec des biomatériaux pour essayer de trouver une nouvelle façon de réparer ou de remplacer des tissus abîmés dans l’organisme.

Que les piles à combustible, les capsules à libération lente, le nettoyage des déchets toxiques et le béton ont-ils en commun?

Ils reposent tous sur une branche de la science des matériaux appelée « modélisation des réseaux de pores » (MRP). OpenPNM facilite la recherche en MRP, qui consiste à étudier l’écoulement des fluides à travers un matériau poreux. Peut-être cela vous semblera-t-il quelque peu ésotérique, mais le monde est plein de matériaux poreux et savoir comment ces derniers se comportent, de même que trouver comment les améliorer, a de profondes répercussions sur la vie de tous les jours.

En voici un exemple. Les piles à combustible transforment l’hydrogène et l’oxygène en électricité et pourraient en venir à remplacer le traditionnel moteur à combustion interne dans les automobiles. Un type de pile à combustible, dite « à membrane échangeuse de protons », exige que les ions de l’hydrogène, un gaz, traversent une électrode poreuse. La pile doit renfermer assez d’eau pour ne pas surchauffer à haute température, mais pas trop pour que le liquide nuise au passage du gaz. Simuler de telles électrodes avec un outil comme OpenPNM permet aux chercheurs de concevoir des piles à combustible plus efficaces sans gaspiller de temps en effectuant de laborieuses et complexes experiences.

Les applications de la MRP ne se limitent en aucune manière aux piles à combustible. En effet, un nombre surprenant de technologies modernes exigent qu’on comprenne comment les fluides s’écoulent à travers divers matériaux. Les produits pharmaceutiques à libération lente nécessitent la conception d’une capsule ou d’une enveloppe qui laissera passer son contenu à une vitesse déterminée. Comprendre comment un liquide traverse différentes sortes de sol pourrait aussi aider les services d’urgence à contenir un déversement de substances toxiques. Dans le domaine de la construction, savoir comment le bois sèche permet aux scieries de fabriquer des pièces de bois d’œuvre rapidement et efficacement. Quand on bâtit un ouvrage, la longévité de ce dernier variera avec la façon dont l’eau s’infiltre dans les matériaux poreux dont il est fait, tels la brique ou le béton. Enfin, en étudiant les effets des conditions environnementales sur les constructions, les ingénieurs mettent au point et testent des matériaux plus résistants.

Accélérer la découverte en MRP grâce à des logiciels

OpenPNM facilite la recherche dans tous ces domaines. Plutôt que d’effectuer la recherche à proprement parler, OpenPNM est un logiciel d’encadrement. Il prend en charge des fonctions utiles, spécifiques à la MRP, que l’utilisateur intègre à ses propres simulations. Le chercheur n’a qu’à structurer ces fonctions de la manière qui l’aidera le mieux dans ses travaux.

Pour rendre OpenPNM aussi accessible que possible, ses créateurs ont décidé de rédiger le logiciel en Python, langage informatique auquel on recourt souvent dans les calculs en génie. Le logiciel est offert librement et fonctionne sur divers systèmes d’exploitation. À la manière de nombreux autres logiciels scientifiques, le code source d’OpenPNM est à la disposition de chacun en vertu d’une licence d’exploitation libre, si bien que d’autres peuvent en augmenter les fonctionnalités à mesure que de nouvelles méthodes de recherche voient le jour.

Ce logiciel s’est ajouté à la collection d’outils réutilisables que propose le répertoire Logiciels de recherche de CANARIE.

De la science de calibre mondial réalisée ici même, au Canada!

Pour en savoir plus :

http://openpnm.org

http://science.canarie.ca