Alors que la modélisation quantique s’applique aujourd’hui à la chimie, des scientifiques ont fait une percée majeure en simulant pour la première fois des molécules organiques synthétiques se comportant exactement comme leurs homologues naturelles. L’exploit a été rendu possible grâce à un émulateur quantique polyvalent. Les perspectives d’application vont de la chimie quantique et organique à la physique des solides et à plusieurs corps.
La modélisation chimique conventionnelle se base sur la simulation informatique standard, dite binaire. Bien qu’elle ait permis des avancées dans de nombreux domaines de la science, elle comporte des lacunes lorsqu’il s’agit de s’attaquer à la complexité de la mécanique quantique. Cette dernière empêche notamment de prédire exactement comment les molécules interagissent entre elles. Plus précisément, ces modélisations ne permettent pas d’anticiper le comportement des molécules si elles changent de forme, en se pliant ou en se brisant par exemple, ou en se liant entre elles. La compréhension de ce comportement changeant est la base de toutes les réactions chimiques, telle que la formation de l’eau à partir de l’hydrogène et du dioxygène.
Les experts en chimie interviennent au niveau de la malléabilité des molécules, dans le but de les manipuler ou de les ajuster à volonté. Cependant, cette procédure est particulièrement difficile à appliquer aux molécules naturelles. En simulant des molécules artificielles, « nous pouvons apprendre quelque chose des vraies molécules, sans les manipuler, ou sans avoir à faire face aux défis qu’elles présentent, comme leur forme en constante évolution », explique Alex Khajetoorians, chef du département de microscopie à sonde à balayage, à l’Institut des molécules et des matériaux de l’Université de Radboud, à Nimègue (Pays-Bas).
La simulation quantique défie les limites de la modélisation conventionnelle, grâce aux algorithmes quantiques permettant de calculer avec une plus grande précision les énergies et les forces interagissant entre les atomes. Ce gain de précision permet de découvrir des voies de réactions chimiques plus efficaces et optimiser de nombreux processus tels que la conception de nouveaux médicaments ou de matériaux à la fois légers et solides. Khajetoorians est le coauteur principal de la nouvelle étude, récemment parue dans Science, décrivant des molécules artificielles conçues par simulation quantique et qui imitent exactement le comportement des molécules naturelles.
Grâce aux algorithmes quantiques, les scientifiques peuvent désormais produire artificiellement des molécules organiques conformes à ce qui se trouve dans la nature et prédire leurs comportements. Auparavant considérée comme étant trop complexe, voire irréalisable, la modification des propriétés de molécules ultracomplexes pourrait maintenant être envisagée.
Une simulation quantique polyvalente
Le simulateur quantique des chercheurs néerlandais consiste en un système hamiltonien à plusieurs corps accordable, comprenant des surfaces à faible conduction ou isolantes. En utilisant des atomes de césium à motifs et un confinement de surface des électrons sur des surfaces d’indium-étain, des orbitales moléculaires artificielles ont pu être créées en imitant une série des molécules organiques planes communes. C’est-à-dire que le dispositif a isolé des électrons pour former des molécules organiques couramment présentes dans la plupart des produits chimiques, telles que le benzène.
Le nouveau dispositif constitue un système de plateforme polyvalente, permettant d’effectuer la simulation quantique sur une surface plane et d’examiner plus efficacement les structures orbitales moléculaires. « En fabriquant du benzène, nous avons simulé une molécule organique classique et construit une molécule composée d’éléments qui ne sont pas organiques », indique Khajetoorians. En analysant les molécules obtenues, les chercheurs ont été surpris de constater la ressemblance remarquable entre leurs comportements et ceux des molécules naturelles. De plus, en étant 10 fois plus volumineuses, elles étaient plus faciles à manipuler que celles retrouvées dans la nature.
Les perspectives d’utilisation de cette simulation quantique polyvalente sont nombreuses. En créant une version simulée, il devient notamment possible de découvrir des propriétés inédites chez certaines molécules et d’évaluer comment elles pourraient intégrer un matériau. L’on pourrait par exemple réduire la taille d’un transistor sur une puce électronique ou encore améliorer l’efficacité d’un antibiotique.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]