Depuis 1999, l’ensemble de mes activités de recherche a pour dénominateur commun l’étude des matériaux (de la molécule au solide) à l’aide de la chimie théorique. Au cours de ces années, j'ai accumulé un vaste éventail de connaissances englobant des domaines aussi divers que la chimie théorique, la chimie et la physique des solides, ainsi que la chimie supramoléculaire. Parallèlement, j'ai développé des compétences pointues dans le calcul haute performance (HPC) et en Intelligence Artificielle. Les exemples ci-dessous illustrent mes principaux domaines de recherche :

L’étude d'oxydes Ln₂Ti₂O₇ (Ln = La et Nd)  a permis d’identifier l'existence d'une phase paraélectrique (Fig. b) autre que la structure stable ferroélectrique (Fig. a). La distribution des densités de charges électroniques et l'analyse topologique “AIM” a montré que les interactions de liaison entre Ln et O ainsi que Ti et O ne sont pas purement ioniques et confirment la présence d'un caractère covalent notable entre Ti et O. Ces résultats ont été corroborés par l'analyse des DOS qui ont montré une hybridation significative entre les orbitales O-2p et Ti-3d. Les structures électroniques de La₂Ti₂O₇ (LTO) et Nd₂Ti₂O₇ (NTO) ont montré que LTO est un meilleur photocatalyseur que NTO. La présence des états Nd-4f, sites de piégeage de charge, dans la bande de valence et dans la bande de conduction du NTO est à l’origine la réduction de l'activité photocatalytique de ce dernier. L'extension de l'étude aux oxydes métastables Ln₂Ti₂O₇ (Ln = Sm et Gd) a révélé une richesse de propriétés électroniques, optiques et ferroélectriques faisant d'eux de bons candidats pour le développement de dispositifs multifonctionnels.

E. Bruyer, Adlane Sayede. Density functional calculations of the structural, electronic, and ferroelectric properties of high-k-titanate ⁠RE₂Ti₂O₇(RE=La and Nd). Journal of Applied Physics, 2010, Journal of Applied Physics, 108 (55), ⟨10.1063/1.3459891⟩

Dans le cas particulier d’hétérostructures SrTiO₃/BiFeO₃ (STO/BFO) et dans le cadre de la thèse de Mlle Émilie Bruyer, je me suis particulièrement intéressé à l’évolution des propriétés structurales et ferroélectriques sous l’effet d’une contrainte épitaxiale, qui peut être engendrée lorsque le matériau est déposé en couche mince sur un substrat chimiquement et structurellement différent. Les calculs ont notamment montré que la rotation et la déformation des octaèdres FeO₆ compensaient les effets d’une compression épitaxiale et stabilisaient le matériau contraint. Cela a pour conséquence une modification de la symétrie interne du BFO, et une réorientation progressive du vecteur de polarisation spontanée suivant un axe perpendiculaire au plan de croissance. 

E. Bruyer, Adlane Sayede, A. Ferri, R. Desfeux, R. V. K. Mangalam, R. Ranjith, W. Prellier. Insight on the ferroelectric properties in a (BiFeO₃)₂(SrTiO₃)_' superlattice from experiment and ab initio calculations. Applied Physics Letters, 2015, 107 (4), pp.042904. ⟨10.1063/1.4927600⟩

Dans le cadre d’un sujet de recherche M2 suivi par une thèse soutenue en décembre 2018, nous avons réalisé des calculs DFT combinés à un Algorithme Evolutionnaire pour prédire de nouvelles phases intermétalliques à  base de magnésium pour le stockage d’hydrogène. L’étude a montré l’émergence de nouvelles phases sous l’effet de la pression, notamment MgNi₃ et MgCu. Pour ces deux compositions, la recherche et l’analyse théorique de potentiels hydrures ont montré l’existence de deux structures trigonales MgNi₃H₂ et MgCuH₃. La synthèse de ces matériaux sous forme de couches minces est en cours de réalisation au sein du laboratoire.

Gauthier Lefevre, Sébastien Saitzek, Rachel Desfeux, Nathalie Kunkel, Adlane Sayede. Hydrogen storage in MgX (X = Cu and Ni) systems - is there still news? Journal of Power Sources, 2018, 402, pp.394 - 401. ⟨10.1016/j.jpowsour.2018.09.043⟩

La  multidimensionnalité de l’espace de conception des matériaux, à travers les paramètres de composition chimique et les procédés d’élaboration, est d’une complexité telle qu’il est impossible d’explorer toutes les combinaisons offertes à nous. L’utilisation de l’Intelligence Artificielle (IA), à travers l’Apprentissage Automatique (AA), présente une opportunité d’accélérer radicalement la conception de nouveaux matériaux répondant à des critères physiques, chimiques et mécaniques spécifiques. Ainsi, dans le cadre du projet ANR VIVAH (Contrats doctoraux en intelligence artificielle), l'équipe CMNM, en collaboration avec le CRIL UMR 8188 (Informatique), a bénéficié d'un contrat doctoral financé par l'ANR. Cette thèse a abouti au développement d'une architecture équivariante adaptée aux réseaux de neurones à passage de messages (MPNN) spécifiquement conçue pour les matériaux cristallins. Ces réseaux ont été implémentés dans des modèles génératifs pour prédire de nouveaux matériaux présentant des caractéristiques spécifiques. Un exemple probant, publié en 2023 lors de la prestigieuse conférence 3AI, démontre qu'il est désormais possible de construire en quelques secondes une enveloppe convexe d'oxyde de titane.

Astrid Klipfel, Olivier Peltre, Najwa Harrati, Yaël Fregier, Zied Bouraoui, Adlane Sayede. Equivariant Message Passing Neural Network for Crystal Material Discovery. the AAAI Conference on Artificial Intelligence, 37 (12), pp.14304-14311, 2023, ⟨10.1609/aaai.v37i12.26673⟩

Les CDs sont des molécules cycliques constituées de 6, 7, ou 8 unités glucosiques appelées respectivement a-, b- et g-CD. Leur surface externe est hydrophile alors que leur cavité interne est hydrophobe et permet de loger des substrats organiques afin de former des complexes d’inclusion. Je me suis principalement intéressé à l’apport des CDs dans le domaine de la catalyse aqueuse en présence de complexes organométalliques hydrosolubles. Ainsi, à l’aide de calculs ab initio nous avons clairement montré comment empêché la formation d’un complexe d’inclusion entre la triphenylphosphine trisulphoré (TPPTS) et la b-CD en introduisant un groupement en position ortho sur chaque cycle aromatique de la phosphine. Les calculs ont également montré que parmi les phosphines étudiées, deux sont profondément incluses dans la cavité de la  b-CD : la TPPTS et la tris(p-Me)TPPTS, alors que les autres ligands n’interagissent que faiblement avec la b-CD et cela grâce aux liaisons hydrogène. Cette faible interaction peut être totalement supprimée par l’utilisation de la RAME-b-CD (b-CD partiellement méthylée : sur les 21 groupes hydroxyles, 12,6 en moyenne sont alkylés par un groupe méthyle).

Adlane Sayede, M. Ferreira, H. Bricout, S. Tilloy, E. Monflier.Interaction of water‐soluble triphenylphosphines with $\beta$‐cyclodextrin: A quantum chemistry study. Journal of Physical Organic Chemistry, 2011, Journal of Physical Organic Chemistry, 24 (1212), pp.1129-1135. ⟨10.1002/poc.1833⟩

D’un autre côté, L'étude par DM nous a permis de mieux comprendre les interactions entre des diesters d’isosorbide et les b-CDs. Nous avons montré que ces derniers pouvaient former des complexes d'inclusion de stœchiométrie 1:1, 2:1 ou 3:1 qui formaient à leur tour des “micelles” de taille nanométrique. L'analyse des interactions qui régissent la complexation révèle que les interactions de van der Walls sont prédominantes et que leur contribution à l'énergie libre d’interaction est diminuée, à la fois par la perte d'entropie et la désolvatation des groupes polaires.

T. Vanbésien, Adlane Sayede, E. Monflier, F. Hapiot. A self‐emulsifying catalytic system for the aqueous biphasic hydroformylation of triglycerides. Catalysis Science & Technology, 2016, 6 (9), pp.3064-3073. ⟨10.1039/c5cy01758k⟩

Convaincu de la nécessité et de l'intérêt de la science ouverte, je m'engage quotidiennement, en tant que chercheur, à rendre les résultats de mes recherches ainsi que les outils que je développe accessibles. Un exemple concret de cette démarche est le site http://opencyclodb.org/ où j'ai créé une base de données accessible librement, permettant la recherche et l'accès aux constantes d'associations entre diverses molécules et les cyclodextrines. Cette base de données est non seulement ouverte, mais également collaborative, offrant la possibilité à tous les chercheurs du monde d'y contribuer. Une procédure de vérification rigoureuse garantit la qualité des données ajoutées. Parallèlement, un ensemble d'outils est mis à disposition, notamment un prédicteur basé sur l'intelligence artificielle, permettant de déterminer les constantes d'associations pour des molécules invitées jusqu'alors inconnues. Ce prédicteur a été développé dans le cadre d'une collaboration avec des collègues chimistes et informaticiens  et dans le cadre d’une thèse financée par l'ANR VIVAH.

Gökhan Tahil, Fabien Delorme, Daniel Le Berre, Éric Monflier, Adlane Sayede, Sébastien Tilloy. Curated dataset of association constants between a cyclodextrin and a guest for machine learning. Chemical Data Collections, 2023, 45, pp.101022. ⟨10.1016/j.cdc.2023.101022⟩