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De son expérience reconnue dans le développement de solutions pour la production énergétique, IFPEN a hérité une expertise approfondie des matériaux à usage fonctionnel. Cette compétence est aujourd’hui mise au service des nouveaux défis de la transition énergétique, depuis les nouveaux systèmes de batteries jusqu’ à la gestion thermique et énergétique des procédés (stockage de l’énergie par air comprimé décarbonation des procédés, etc.) en passant par de nouveaux types de motorisation.

Fonctionnaliser un matériau, c’est-à-dire lui conférer des propriétés maitrisées à partir de sa structure, de sa formulation ou de sa chimie, requiert la mise en œuvre d’approches couplant différentes physiques et différentes échelles.

En considérant la croissance des puissances de calcul disponibles pour la simulation numérique, les équipes d’IFPEN ont mis en place depuis plusieurs années une démarche globale de modélisation multi-échelle, dont le but est de faire la jonction entre la compréhension des mécanismes à petite échelle (moléculaires ou microstructuraux) et des approches macroscopiques, thermodynamiques ou mécaniques [1-4]. Cette démarche se déploie selon deux axes complémentaires :
  

  • La simulation moléculaire pour une compréhension des phénomènes physico-chimiques ou des couplages fins avec la mécanique.
      
  • La simulation de microstructures à usage fonctionnel permettant d’optimiser la transfert de masse, la thermique et la mécanique au sein de matériaux à architectures « contrôlées », pour des nouvelles solutions à base d’impression 3D.
      

Le déploiement de cette démarche s’est d’abord concrétisé dans la prédiction, à partir de l’échelle moléculaire, des propriétés élastiques de matériaux présentant plusieurs échelles caractéristiques, comme les supports de catalyseur ou les polymères semi-cristallins (figure 1.a) [1], [2] et [4].

Cette méthodologie permettra également d’améliorer la prédiction des propriétés physico-chimiques, comme la solubilité d’espèces dans un matériau polymère et la compréhension des interactions avec certains solvants (recyclage des plastiques), la compréhension de la diffusion d’espèces dans des milieux confinés (zéolites, membranes, etc.), ou à une échelle plus grande, de construire de nouveaux matériaux architecturés par optimisation topologique pour les moteurs électriques, les échangeurs thermiques (Figure 1.b) ou les systèmes de stockage [3].
 

Figure 1. Exemples de microstructures et de problématiques physiques à différentes échelles.

Figure 1.a
a) Assemblage moléculaire amorphe/cristal dans un polymère semi-cristallin soumis à de la traction avec apparition de cavitation [1] 
Figure 3b
b) Microstructure poreuse (à gauche) et mésostructure à densité variable (à droite) obtenue par optimisation topologique d’un problème thermo-poro-mécanique [3].

 


Références :

  1. B. Belin, M. Yiannourakou, V. Lachet et B. Rousseau (2022). Modeling Method for Semicrystalline Polymers Controlling Aspects of the Morphology at the Molecular Scale for the Study of Mechanical and Physicochemical Properties. The Journal of Physical Chemistry.
    >> https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c04571
       
  2. N. Brusselle, V. Le Corre et L. Cangémi. Numéro 34 de Science@ifpen - Mécanique appliquée.
    >> https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/article/numero-34-scienceifpen-mecanique-appliquee
      
  3. G. O. Agyekum. Shape and topology optimization of Multiphysics Systems. Thèse de l’Université Paris Cité. Laboratoire Jacques-Louis Lions Paris Sorbonne, 2022.
      
  4. E. Roguet, K. Akhan, N. Brusselle-Dupend, V. Le Corre, M. Sidhom, L. Cangemi, M. Moreaud, G. Clavier, V. Lachet, B. Rousseau, Investigation of the 3D crystalline network impact on the elastic properties of Semi-Crystalline Polymers from a multi-scale modelling approach. Computational Materials Science 167, 77–84 (2019).
    >> https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.05.006
      

Contacts scientifiques : laurent.cangemi@ifpen.fr ; veronique.lachet@ifpen.fr

>> NUMÉRO 49 DE SCIENCE@IFPEN