Axe 1 : Matériaux avancés, ondes et systèmes intelligents

Dans le cadre de ce domaine prioritaire, les compétences liées aux thématiques suivantes seront exploitées :

  • Matériaux et processus avancés : (nano)maté-riaux et composites, chimie durable, films minces structurés, surfaces fonctionnalisées, fabrication des micro/nanomatériaux, métaux pour composants de l’industrie nucléaire.
  • Systèmes intelligents intégrés et composants sous-jacents : micro/nanotechnologies/robotique, (nano)photonique non linéaire, nouveaux paradigme informatiques, phononique, composants temps-fréquence, capteurs.
  • Énergie à hydrogène, cogénération d’énergie électrique et thermique : matériaux et systèmes de génération d’électricité (stationnaires, transports, micro-réseaux), systèmes de conversion électrique et thermique.
Crédit Photo : Ludovic Godard

Ce domaine repose sur des partenariats avec des acteurs industriels majeurs (tels qu’Airbus), dont un grand nombre sont installés dans région Bourgogne-Franche-Comté (Areva, PSA Peugeot-Citroën, Alstom et leurs sous-traitants, etc). Il englobe l’intégralité des recherches fondamentales et des technologies utiles au développement de matériaux avancés et de systèmes intelligents, parmi lesquels les systèmes propres de production d’énergie.

L’objectif est d’améliorer la performance et la sécurité d’usines tout en satisfaisant à des attentes exigeantes en matière de pérennité et de durabilité.

L’approche des questions de sécurité des installations industrielles est de trois ordres :

  1. Développement des matériaux et des processus de fabrication;
  2. Contrôle de systèmes via divers capteurs intégrés et connectés;
  3. Calcul tout optique exploitant des algorithmes neuro-morphiques pour l’exploitation des données mesurées, pour la prédiction de l’évolution des paramètres critiques – opérabilité, autonomie, fiabilité – et pour actualiser la rétroaction sur le système contrôlé.

En guise d’exemple d’approche d’un enjeu de durabilité, citons les micro-réseaux pour l’optimisation des sources d’électricité renouvelables pour les habitations ou les véhicules à zéro émission, avec l’ambition d’une durée de vie d’environ 10 ans et d’une périodicité de maintenance supérieure à un an.

Pour soutenir ces approches, I-SITE BFC possède les ressources scientifiques requises combinant physique, mathématiques, micro/nanotechnologies, chimie durable, structuration et activation des matériaux, ondes photoniques et phononiques, contrôle, dispositifs intégrés, ingénierie, nouveaux paradigmes de traitement des données (informatique quantique/neuromor-phique).

Ces derniers sont étroitement liés aux capacités d’anticipation des risques majeurs, qui constituent, de nos jours, un ingrédient essentiel des protocoles de sûreté. Le traitement tout optique de l’information à l’aide d’algorithmes inspirés du fonctionnement du cerveau est considéré comme une alternative aux ordinateurs électroniques, qui atteignent progressivement leurs limites techniques en termes de vitesse des flux d’informations internes et de consommation d’électricité. Ainsi l’intégration de propriétés des matériaux dans des boucles de rétroaction incluant des capacités d’acquisition, de mesures et de calcul intense créera des dispositifs innovants reposant sur le traitement des donnéesutilisant des composants nano-photoniques ultra-rapides. Les indicateurs d’excellence atteints par la communauté photonique de la région Bourgogne-Franche-Comté et la récente première démonstration mondiale d’un concept de calcul tout optique neuromorphique permettent d’envisager de relever ce défi.

Ce raisonnement implique d’intégrer des fonctions (acquisition/traitement des données, actualisation de commandes, communication) dans les composants et conduit à imaginer des compo-sants si petits (échelle nanométrique), qu’ils puissent être considérés comme les « atomes » constitutifs d’une matière programmable (en américain : « claytronics » – dérivé de « clay », argile – néologisme issu d’une référence au matériau utilisé par un sculpteur pour faire surgir un volume de forme arbitraire).

Dans cette vision, des processeurs nanomé-triques appelés « claytronic atoms » (abrégé en « catoms ») interagissent les uns avec les autres pour former un objet 3D tangible capable de reconfigurer ses propriétés physiques à partir de stimuli externes, provenant d’acquisitions auto-nomes d’informations ou de l’intervention d’un utilisateur (par le toucher, par exemple).

La mise au point de matière programmable devrait déboucher sur de nombreuses applications de dispositifs dans les domaines de la médecine, de l’énergie, des transports, de l’espace, de la défense et de la vie quotidienne. Les configurations expérimentales actuelles n’impliquent qu’un nombre très limité de catoms de dimensions de l’ordre du cm. La réduction à l’échelle nanométrique constitue un immense défi en matière d’intégration, et il conviendra de s’appuyer sur les savoir-faire en chimie et matériaux avancés pour la mise au point d’alternatives « claytroniques » aux approches standard du calcul, de la rétroaction, des capteurs ou même de la transmission d’informations. Cette réduction d’échelle implique d’organiser les actions/mouvements de millions de catoms en un ensemble claytronique, une tâche qui dépasse les capacités actuelles des ordinateurs et exige l’élaboration d’un nouveau paradigme d’informatique cognitive ultrarapide, reposant sur des composants photoniques.

Animateur d’axe :
Michaël Gauthier, CNRS