Solveig Aamlid : décrypter le désordre des oxydes à haute entropie
L’aventure scientifique de Solveig Aamlid débute dans la première moitié des années 2010, à l’Université norvégienne de sciences et technologies de Trondheim (NTNU). La jeune femme y suit un master en nano-ingénierie puis y débute un doctorat en 2016. Un de ses professeurs avait alors remarqué que la ferroélectricité à partir de matériaux ne contenant pas de plomb était encore à défricher. Il lui confie le sujet (ndlr : les matériaux ferroélectriques présentent une polarisation interne pouvant être inversée en appliquant un champ électrique). « Les matériaux ferroélectriques étant utilisés dans les technologies de pointe, ces recherches ouvraient plusieurs perspectives : celle d’un bénéfice majeur pour l’environnement, celle de la conformité avec la réglementation européenne et, sur le plan économique, celle d’une opportunité de marché sans précédent », se souvient amusée la chercheuse.
À l’issue de sa thèse, la scientifique s’envole pour Vancouver, au Canada, où elle a décroché un contrat de post doctorante à l’Université de Colombie Britannique (UBC). Elle quitte alors le monde de la ferroélectricité pour celui des oxydes à haute entropie. « Les nouvelles étapes de vie sont l’occasion de changer de thématique de recherche. Elles permettent d’élargir son champ de compétence tout en réutilisant et en améliorant les savoir-faire acquis lors de précédentes expériences ».
Mais à quoi correspondent ces oxydes à haute entropie qui occupent tant le quotidien de Solveig Aamlid depuis 2021 ? Il s’agit de matériaux composés d’oxygène et de plusieurs éléments chimiques mélangés à part égales dans un réseau cristallin. « Généralement il y a cinq éléments chimiques différents. Le mélange le plus connus est celui renfermant du magnésium, du cobalt, du nickel, du cuivre et du zinc ». Ici, l’oxygène et les cinq cations métalliques s’organisent en un réseau régulier. Cette configuration crée un important désordre à l’échelle atomique qui, assez contre intuitivement, stabilise le matériau et lui confère des propriétés physiques singulières. Sur le plan mécanique, par exemple, les oxydes à haute entropie sont plus durs et plus résistants, en particulier à haute température. Les effets du désordre peuvent également s'avérer utiles dans les matériaux fonctionnels tels que les batteries, la catalyse ou l'électronique.
La recherche fondamentale avant tout
« Les applications sont une chose mais ce qui m’intéresse avant tout, c’est de comprendre le lien entre le désordre à l’échelle atomique et les fonctionnalités offertes par ces oxydes (et plus largement par les matériaux) », souligne la chercheuse. La logique est alors différente de celle habituellement rencontrée en science des matériaux où les propriétés résultent de l’ajout de tel ou tel élément en quantités déterminées. « La résistance de l’acier provient par exemple de l’ajout de carbone au fer qui le compose. Enrichissez l’ensemble avec du chrome et il devient inoxydable. Dans le cas des oxydes à haute entropie, le niveau de désordre au sein du réseau cristallin influe sur leurs propriétés. Il est donc primordial de le caractériser et de le mesurer ».
Aujourd’hui, les travaux de Solveig Aamlid revêtent un caractère fondamental qui la conduit à étudier la structure électronique des réseaux cristallins – notamment le band gap, ou bande interdite, cette barrière d’énergie qui détermine la circulation des électrons dans le matériau – mais aussi la vibration de leurs atomes (les phonons). « L’objectif est de définir la conductivité d’un matériau et de comprendre comment il dissipe la chaleur pour, à terme, faire de la thermoélectricité. Autrement dit, récupérer cette énergie thermique pour générer un courant électrique ».
Enfin, la chercheuse travaille activement à la synthèse des oxydes à haute entropie. Le challenge est de taille ! En effet, il ne suffit pas de prendre les éléments dans le tableau de Mendeleïev et de les faire interagir entre eux car tous ne se répartissent pas uniformément dans le réseau cristallin, ce qui produit des phénomènes de séparation de phase et des impuretés.
Prédiction computationnelle
« Les oxydes à haute entropie sont donc plus rares que prévus. C’est pourquoi je m’appuie sur la prédiction computationnelle – c’est-à-dire la puissance du calcul par ordinateur - pour tester et déterminer les combinaisons optimales d’éléments qui autorisent leur synthèse et leur stabilité », explique Solveig Aamlid. L’introduction du machine learning pourrait par ailleurs constituer la prochaine étape de ses travaux. « L’implémentation de l’IA sera certainement un véritable atout pour trier et affiner les millions de possibilités qui se présentent, notamment lorsqu’il s’agit d’attribuer des propriétés particulières à ces matériaux ».
Grâce à son poste d’assistante professeure en Tenure Track au PMC, Solveig Aamlid dispose aujourd’hui de l’environnement matériel et humain nécessaire à l’avancée de ses recherches. « Depuis mon arrivée il y a moins de six mois, nous avons déjà testé, avec les collègues du laboratoire, la synthèse d’oxydes à haute entropie à l’aide d’un laser et les résultats sont plutôt prometteurs », s’enthousiasme la chercheuse. Un enthousiasme qu’elle pourra communiquer aux étudiants du Bachelor of Science de l’École polytechnique lors de séances introductives à la physique de laboratoire dès la rentrée 2026.
À propos de Solveig Aamlid
Solveig Aamlid est professeure assistante en Tenure Track à IP Paris, membre du laboratoire de physique de la matière condensée (PMC) de l’École polytechnique. Elle a obtenu son doctorat à l'Université norvégienne des sciences et technologies et effectué ses recherches postdoctorales à l'Université de Colombie-Britannique. Ses recherches portent sur les matériaux désordonnés tels que les oxydes à haute entropie, et plus particulièrement sur la prédiction computationnelle de leur stabilité thermodynamique ainsi que sur la synthèse et la caractérisation structurale de ces nouvelles phases.
*Dans le cadre du projet STEP² retenu par l'ANR lors de l'appel à projets "Excellences sous toutes ses formes" (EXES) France 2030 (ANR-22-EXES-0013)
**PMC : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France