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Concevoir des matériaux à l’échelle quantique

by Cynthia Macdonald janv. 24 / 19

La méthode de Narang pourrait mener à de nouvelles formes d’énergie propre et à de nouveaux appareils

En tant que spécialiste des matériaux, Prineha Narang, Chercheuse mondiale CIFAR-Azrieli de la cohorte de 2018, comprend intimement des choses que bien des gens tiennent pour acquises. Par exemple, comment de minuscules nanostructures dans les ailes d’un papillon interagissent avec la lumière pour former des couleurs. Ou comment l’étonnante légèreté de la fibre de carbone rend son vélo si facile à transporter à l’étage.

Les matériaux existants affichent des propriétés qui fascinent Narang, mais la Chercheuse mondiale est encore plus stimulée par les matériaux qui prennent forme dans son esprit. Dans son laboratoire à l’Université Harvard, elle réalise des travaux théoriques avec son équipe où des matériaux traditionnels se retrouvent bien loin de leur « zone de confort ». Libérés des contraintes de leurs propriétés thermiques, optiques et électroniques normales, les matériaux peuvent être transformés pour permettre la création de technologies moins coûteuses, plus simples et plus durables.

« Certains des matériaux auxquels nous travaillons ne sont pas disponibles aujourd’hui sur le marché », reconnaît Narang. « Leur mise à l’échelle est problématique à l’heure actuelle. Mais ceux auxquels nous travaillons seront bien meilleurs que ceux que nous avons maintenant. De plus, ils pourraient avoir des applications dans divers domaines, comme les technologies spatiales, l’électronique grand public et la conversion énergétique. »

Pour atteindre ces objectifs, Narang a recours à l’ingénierie des matériaux quantiques, un domaine qui repose sur la mécanique quantique plutôt que sur la physique classique. Dans le monde classique, on analyse la matière à l’échelle macroscopique et son comportement est prévisible. Toutefois, les spécialistes de la mécanique quantique comme Narang travaillent avec la matière à sa plus petite échelle, là où les objets subatomiques se comportent à la fois comme des particules et des ondes, et là où il est impossible de mesurer son comportement avec une précision absolue.

« Il s’agit d’un sous-domaine où de nouvelles orientations surgissent sans cesse », dit Narang. Dans son cours de science et de génie quantiques à l’Université Harvard, elle dit souvent aux étudiants que ce qu’ils apprennent est sujet à changement d’une année à l’autre.

« Je ne peux pas garantir que je dirai exactement la même chose la prochaine fois que je donnerai ce cours. Je sais que dans d’autres domaines les gens se servent du même plan de cours depuis des décennies; je ne peux même pas utiliser le mien deux années de suite! », dit-elle. « Mais c’est aussi tellement excitant. Chaque année, le domaine attire de plus en plus d’étudiants et ils ont l’occasion d’apprendre des choses complètement nouvelles. »

La durabilité est un grand problème que l’ingénierie quantique pourrait résoudre, entre autres en ce qui concerne notre dépendance à l’égard des terres rares, des éléments aujourd’hui essentiels à la fabrication de l’électronique grand public.

« Utilisons-nous des ressources qui proviennent, disons, d’une seule mine au Chili, ou envisageons-nous des ressources plus abondantes? », demande-t-elle. « Nous devrions oublier certaines parties du tableau périodique. Nous devons cesser d’utiliser des éléments qui ne sont pas durables. »

Conséquemment, nous devrons miser sur des sources d’énergie plus abondantes, comme le soleil. Voilà l’idée principale à la base du programme Énergie solaire bio-inspirée du CIFAR, dont Narang fait fièrement partie.

« Nous croyons qu’il serait possible d’exploiter un grand nombre de principes de conception issus de processus naturels, comme la photosynthèse, dans une optique quantique », dit-elle.