L'intelligence artificielle révolutionne la vision des défauts cristallins !

Publié par Adrien le 24/09/2020 à 09:00
Source: CEA

CEA
Une étude publiée par des chercheurs du CEA remet en question la définition des défauts dans les cristaux et propose une démarche innovante pour leur caractérisation et leur modélisation à l'échelle atomique en utilisant des techniques d'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de valeurs culturelles, par l'observation, l'imitation, l'essai, la...) automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les mathématiques, la théorie du...) ('machine learning'). La caractérisation approfondie de ces défauts est indispensable pour mieux comprendre l'évolution des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) en environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) hostile, notamment sous irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements...) comme dans le coeur d'un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain —...). Cette nouvelle démarche, en dépassant les limites des méthodes traditionnelles, ouvre des perspectives y compris au-delà de la science des matériaux (La science des matériaux repose sur la relation entre les propriétés, la morphologie structurale et la mise en œuvre des...). Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications le 17 septembre 2020.

Les cristaux sont des matériaux couramment employés dans la vie (La vie est le nom donné :) quotidienne, comme par exemple les métaux. Connus pour une organisation (Une organisation est) atomique quasi parfaite, les cristaux contiennent toujours des imperfections, appelées défauts. La concentration et la morphologie de ces défauts cristallins influencent directement les propriétés des matériaux. Mieux appréhender les défauts et leur évolution aide donc à mieux prévoir les modifications de comportement du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une...) avec le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Connaître cette évolution est particulièrement crucial pour dimensionner au mieux les installations qui subissent un environnement sévère, par exemple une irradiation.

Aujourd'hui, la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large....) des matériaux moderne sait simuler l'apparition et l'évolution de défauts dans un solide cristallin au moyen de simulations numériques à très grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme...). Cependant, l'immense flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans...) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) générées rend l'interprétation de ces expériences numériques très complexe. Les travaux de chercheurs du CEA, dont les résultats viennent d'être publiés dans la revue Nature Communications le 17 septembre, proposent une démarche innovante et universelle pour surmonter cette difficulté. Cette nouvelle approche est en effet la première à pouvoir s'appliquer à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des matériaux à structure cristalline. En offrant une vision continue d'un défaut et de son environnement, elle facilite la description de processus physiques complexes, comme la migration de défauts sous irradiation.

En s'appuyant sur les méthodes de l'intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens susceptibles de doter les systèmes informatiques de...), ces chercheurs de la direction des énergies et de la direction des applications militaires du CEA, ont mis au point (Graphie) un algorithme qui décrit les distorsions des environnements atomiques locaux occasionnés par les défauts présents dans le matériau. Cette grandeur facilite la localisation automatique des défauts et leur description "hiérarchisée", ce qui permet de distinguer des zones différemment affectées au sein de la structure cristalline.


Cette représentation périodique (un "motif" reproduit à l'infini) montre le niveau de distorsion atteint au sein de la structure cubique centrée du fer par l'insertion de dislocations vis. Les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) sont colorés en fonction du degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de distorsion atteint: les zones impactées par le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) élastique sont représentées en couleurs sombres. © CEA

Les résultats de cette étude laissent entrevoir des développements très prometteurs pour l'ensemble de la communauté de la science des matériaux. Ces outils numériques conduiront à l'interprétation automatique de grands jeux de données, fournies par exemple par des techniques expérimentales telles que la sonde atomique tomographique (La Sonde atomique tomographique est une technique d'analyse qui entre dans la catégorie plus vaste des microscopes à effet de champ (field emission microscope) et qui consiste à ioniser des atomes d'un échantillon cristallin, à...), la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie...) électronique en transmission ou le rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.), méthodes d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour les 8 gestionnaires du secteurs mixte en...) et déjà utilisées pour sonder la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...). Ces développements peuvent de plus être déployés à d'autres domaines comme la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...), la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...) ou la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal...), par exemple dans la détection de défauts cellulaires qui caractérisent l'apparition d'un cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement importante au sein d'un tissu normal de l'organisme, de telle manière...).

Références:
Reinforcing materials modelling by encoding the structures of defects in crystalline solids into distortion scores'
A.M. Goryaeva, C. Lapointe, C. Dai (Le Digital Access Index (DAI) est un indice créé par l'Union internationale des télécommunications pour mesurer la capacité des individus d'un pays donné à accéder aux technologies de...), J. Dérès, J.-B. Maillet, M.C. Marinica, Nature Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles technologies...), ainsi que leurs...) (2020)
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