Modélisation rapide d'interrupteurs optiques nanométriques pour le stockage de l'énergie solaire – FALCON

Ce projet de recherche fondamentale en science des matériaux vise à concevoir à l’aide d’outils théoriques une nouvelle génération de nano-objets capables de transformer la lumière solaire en énergie, et de la stocker de manière efficace. Dans ce but, nous utiliserons le principe appelé « Molecular Solar Thermal » (MOST) où l’isomérisation d’une molécule organique photochrome induite par la lumière du soleil permet le passage à une seconde forme moins stable, stockant ainsi de l’énergie, alors que l’application d’un stimulus externe déclenche le retour à la première forme, libérant l’énergie stockée sous la forme de chaleur. Dans ce projet FALCON, nous cherchons à dépasser l’état de l’art actuel des MOST réalisés en solution en utilisant la fonctionnalisation de nanoparticules (NPs) métalliques comme moyen d’obtenir des nanomatériaux possédant une capacité de stockage d’énergie supérieure. Greffer des photochromes organiques sur une NP permettra en effet de contrôler finement la densité de molécules pouvant s’isomériser, un paramètre critique dans le processus de stockage d’énergie par MOST, ainsi que d’exalter le processus de photochromisme grâce à la présence de la Résonance Plasmonique Localisée de Surface (LSPR) de la NP sous irradiation.
Dans ce but, le projet FALCON est dédié à la conception in silico de dispositifs de stockage d’énergie solaire de type NP-photochromes, à l’aide de la modélisation atomistique. Le développement d’une approche théorique apparaît ici nécessaire pour pouvoir comprendre en profondeur les interactions complexes entre la NP et les molécules photoactives, qui restent encore aujourd’hui à rationaliser complètement à l’aide de modèles quantiques. Cela permettra également d’économiser des ressources premières précieuses et du temps de recherche, en optimisant le dispositif avant sa conception expérimentale. Cette démarche théorique est cependant un réel défi pour la science fondamentale car elle nécessite une description des interactions électroniques à l’aide de la mécanique quantique, à des échelles de taille considérables, bien au-delà de l’étude moléculaire habituelle des photochromes. Jusqu’ici, aucune méthode de calcul n’a permis de fournir une description atomistique quantique pour pouvoir contribuer au développement de tels nanomatériaux hybrides. Le projet FALCON vise à remplir cette fonction en utilisant des calculs basés sur la méthode « Density Functional Tight-Binding » (DFTB) qui permet une description quantique des électrons à un très faible coût de calcul, à l’aide d’une paramétrisation adaptée.
Nous visons donc à construire un schéma de calcul DFTB adapté à décrire complètement l’état fondamental et les états excités de ces nano-objets, permettant d’accéder i) au processus de photochromisme des molécules greffées sur la NP, sous l’influence de la LSPR, ii) à la quantité d’énergie stockée durant ce processus et donc iii) à la conception de nouveaux dispositifs possédant des propriétés optimisés.
Pour atteindre ces objectifs, une grande part de ce projet est dédiée à la construction de jeux de paramètres DFTB permettant de décrire précisément à la fois les propriétés de la NP métallique et des molécules photochromes. Une fois correctement paramétré, ce modèle sera utilisé dans la deuxième partie du projet pour explorer le photochromisme et le mécanisme de stockage d’énergie de divers systèmes hybrides NP-photochromes, afin d’établir des règles générales de conception pour enfin proposer de nouvelles structures plus efficaces
Le succès de ce projet fondamental permettra d’accélérer la fabrication de nano-objets photoactifs complexes, dans le cadre de collaborations expérience/théorie de plus grande envergure, dans le domaine majeur de la recherche d’énergies renouvelables. Les méthodes DFTB développées constitueront une avancée importante pour la communauté des théoriciens en permettant la modélisation de nanoparticules fonctionnalisées pour d’autres applications.