Publication d’un article du groupe Chimie Théorique dans la revue Scientific Reports du groupe Nature

A noter la publication d’un article du groupe Chimie Théorique de l’équipe Catalyse et milieux non-conventionnels de l’IC2MP dans la revue Scientific Reports du groupe Nature.

http://www.nature.com/articles/srep17764

Prévision de structures cristallines aux stoechiométries étonnantes !
La prévision de nouveaux matériaux cristallins dans le système Chrome-Hydrogène par une équipe internationale, avec la contribution d’un chercheur en Chimie Théorique de l’IC2MP (Université de Poitiers, CNRS), a révélé la présence d’une phase supraconductrice CrH à pression atmosphérique (Tc = 10,3 K). De même, à très haute pression (86 GPa), une structure très riche en hydrogène, CrH3, émerge et présente une température de Curie de 37,1 K, comparable au célèbre matériau MgB2 qui avait suscité l’enthousiasme dans la communauté des supraconducteurs.  Ces auteurs montrent également qu’une structure métallique de chrome peut contenir jusqu’à huit atomes d’hydrogène pour un atome de chrome ! CrH8 est le matériau métallique le plus riche en hydrogène présentant des altères H2 non dissociées (voir schéma ci-après).
L’analyse des liaisons chimiques réalisées sous la direction du Dr Gilles Frapper de l’IC2MP permet de souligner l’importance du couplage photons-électrons hydrogène-métal dans l’amélioration des propriétés superconductrices des phases Cr-H. La stabilité de ces phases aux stoechiométries stupéfiantes (CrHn, n=1 à 8) est expliquée à l’aide d’un modèle basé sur la théorie des orbitales moléculaires, outil d’analyse spécifique à l’équipe poitevine.
chimie theorique nature
(1) Représentation de plusieurs phases cristallines dans le système chrome-hydrogène à différentes pressions. (2) schéma du mode de coordination de l’hydrogène au chrome au sein du composé CrH8. En bleu sont représentées des entités H2 présentant de courtes distances hydrogène-hydrogène jamais rencontrées dans les hydrures métalliques (en général, distances H-H supérieures à 2 angstroms,
2. 10-10m).
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Leurs travaux sont dans la continuité des recherches en Sciences des Matériaux se focalisant sur la prévision de matériaux par simulation numérique publiés très récemment dans plusieurs revues internationales renommées, telles que la prestigieuse revue de la Société Américaine de Physique, Physical Review Letters (PRL). Voir les références.
Ces chercheurs russes, américains, chinois et français, de plusieurs horizons disciplinaires, physiciens des matériaux, géosciences , chimistes théoriciens – utilisent une méthode dite évolutionnaire pour concevoir numériquement de nouveaux matériaux. Inspirés par Darwin, ces chercheurs proposent que la structure de matériaux stables suivent les règles de sélection naturelle : l’association de briques  de matières judicieusement choisies permet de construire d’autres structures, et de génération en génération sélectionnées par des contraintes fixées, ici l’énergie électronique du système, une propriété physique telle que la dureté, etc… de nouvelles structures et compositions chimiques émergent au fil du temps.  Ainsi, leur code de calculs permet, par la seule connaissance de la composition chimique du système, de déterminer les structures cristallographiques de phases solides par simulation numérique et calculs quantiques .  Cet algorithme nommé USPEX est développé par une équipe conduite par le Pr. Artem Oganov du MIPT (Moscou) et Stony Brook (NY, USA), professeur invité à l’Université de Poitiers en 2011 dans le groupe de Gilles Frapper et qui vient d’être nommé à 40 ans membre de l’Académie des Sciences de Russie. Un colloque international, DN-NSM 2015, organisé conjointement par A.R. Oganov et G. Frapper a été accueilli par l’Université de Poitiers en juin 2015, et largement soutenu par la Région Poitou-Charentes et Grand Poitiers. Une cinquantaine de chercheurs internationaux ont planché sur la détermination de nouveaux matériaux innovants, de surfaces aux nanoparticules  catalytiques par l’utilisation de cet algorithme évolutionnaire USPEX combiné à des calculs en chimie/physique quantique. Ces simulations numériques nécessitent des ressources informatiques considérables – plusieurs milliers de PC – mais sommes toute d’un coût très inférieur à toute approche expérimentale classique ! Notons que l’Université de Poitiers s’est dotée très récemment d’un mésocentre de calculs permettant à ces chercheurs de l’IC2MP de développer leur recherche pionnière.
D’autres matériaux originaux sont d’ores et déjà annoncés dans le domaine du stockage de l’énergie : des phases riches en azote dans le système magnésium-azote, telles que les systèmes MgN4 et MgN6 qui autorisent un dégagement énorme d’énergie lors de leur décomposition en magnésium solide et molécules N2 inertes et surtout inoffensives pour l’environnement.
Sur un plan plus fondamental, des stœchiométries très inhabituelles sont rencontrées dès lors qu’une pression de plusieurs gigapascals « invitent les atomes à s’associer, à créer du lien pour être plus forts ! » sic Dr Gilles Frapper. Récemment, cette équipe a montré que le composé H3Cl est stable, défiant les règles classiques de la Chimie où seule la composition 1:1 était enseigné comme stable (H+, Cl-). C’est sans compter de l’effet de la pression sur le comportement de la matière, phénomène qui ouvre de nouvelles portes et concepts originaux en chimie des matériaux.
Restons sous pression, d’autres matériaux surprenants sont annoncés !
Contact : 
Gilles Frapper, groupe Chimie Théorique, équipe E4 IC2MP
gilles.frapper@univ-poitiers.fr ; 06 48 13 24 13

Références :

1- Publications récentes de Gilles Frapper et al dans le domaine de recherche « Prévision de nouveaux matériaux, surfaces et nanoparticules par algorithme évolutionnaire et calculs DFT » :

a- Hu C.H., Oganov A.R., Zhu Q., Qian G.R., Frapper G., Lyakhov A.O., Zhou H.Y. (2013).
Pressure-Induced Stabilization and Insulator-Superconductor Transition of BH.
Phys. Rev. Lett. 110, 165504.

b- Yu, S., Zeng, Q., Oganov, A. R., Hu, C., Frapper, G., and Zhang, L. (2014).
Exploration of stable compounds, crystal structures, and superconductivity in the Be-H system.
AIP Adv. 4 , 107118.

c- Yu, S., Zeng, Q., Oganov, A. R., Frapper, G., & Zhang, L. (2015).
Phase stability, chemical bonding and mechanical properties of titanium nitrides: a first-principles study.
Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 11763–11769.

2- Site du code évolutionnaire USPEX : http://uspex-team.org

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