Laissez ce tube à essai seul pendant un moment. Les simulations informatiques prédisent le résultat des réactions chimiques. La chimie virtuelle évite ainsi les expériences inutiles.
"Cela fera 22 euros", dit le guichetier, "mais dépêchez-vous, car le train part dans cinq minutes."
« Et à quelle heure vais-je arriver à Anvers ? » je demande.
« Anvers ? » Regard surpris. "Eh bien, peut-être que ce train passera par Anvers, c'est possible. Mais en chemin, regarde par la fenêtre, et tu verras bien assez tôt où le train t'emmènera.'
Cette conversation n'a jamais eu lieu. Heureusement, imaginez que chaque train a un itinéraire inconnu. Cela peut être aventureux, mais pas vraiment pratique. Vous préférez probablement ne pas atteindre votre destination par essais et erreurs , et n'aiment pas acheter un billet pour le mauvais train. C'est pourquoi nous avons également des planificateurs d'itinéraires.
Bien que les chimistes ne soient pas opposés à certains essais et erreurs en laboratoire, de nouveaux types de calculateurs d'itinéraires font également leur apparition dans la recherche chimique. De plus en plus de chercheurs veulent trouver les meilleures voies de recherche à l'aide de simulations informatiques, afin d'éviter des expériences inutiles.
Un exemple :un domaine de recherche important est la recherche de nouveaux matériaux pour réduire les gaz à effet de serre tels que le CO2 des gaz d'échappement et de les convertir en matières premières utiles telles que le méthanol ou l'acide formique. Mais comment démarrer cette quête ? Quel type de matériaux devrions-nous tester? Lequel en premier ? Choisissons-nous des matériaux que nous connaissons déjà ? Ou devons-nous en développer de complètement nouveaux ? Tellement de choix, tellement peu de temps.
Des simulations informatiques pourraient donc réduire ce stress de choix. Car si nous pouvons d'abord tester virtuellement les matériaux possibles, nous n'avons ensuite qu'à étudier les plus prometteurs « dans la vraie vie ». De cette façon, la simulation rend la recherche plus efficace.
Honnêtement, je n'ai jamais vraiment été un héros de laboratoire
En tout cas, j'étais convaincu :faire de la chimie virtuelle avec des simulations ? Cela semblait être la combinaison idéale de mes études de chimie avec mon intérêt pour les ordinateurs. Et je pourrais faire des recherches chimiques sans travail de laboratoire. Parce que pour être honnête :je n'ai jamais été un tel héros au laboratoire.
Et pourtant il y a un problème. Car si nous voulons prédire des réactions chimiques dans des simulations informatiques, nous devons parfois effectuer des milliards de simulations. En conséquence, une telle expérience virtuelle prendrait des années pour faire une prédiction et n'offrirait donc aucun avantage par rapport à une expérience "réelle". J'ai pu résoudre ce problème dans ma recherche doctorale. Grâce à une nouvelle technique de simulation, nous pouvons prédire les réactions chimiques en un seul court calcul informatique.
Les simulations informatiques peuvent être comparées à une animation qui montre image après image comment les atomes dansent les uns autour des autres. Ensemble, les atomes forment des molécules qui, si elles entrent suffisamment en collision, déclenchent des réactions chimiques. Des ordinateurs puissants doivent calculer pas à pas les mouvements de chaque atome. Faire une vidéo complète prend un peu de temps.
Illustration ci-dessus :les simulations informatiques dépeignent les réactions chimiques comme une animation d'atomes en mouvement dans les molécules, mais parfois seulement après des années de calcul.
Malheureusement, beaucoup de ces longs calculs ne servent à rien. Parce qu'en fait les molécules sont assez ennuyeuses. Ils bougent et se heurtent tout le temps, mais les collisions vraiment dures nécessaires aux réactions chimiques sont plutôt rares. Comparez-le au trafic dense sur une autoroute :la vitesse de chaque voiture peut varier et les conducteurs changent de voie tout le temps, mais au final, le trafic dans son ensemble continue de se déplacer de manière monotone. Ce n'est que très occasionnellement que quelque chose de radical se produit et qu'une collision se produit. Généralement rien ne se passe.
C'est aussi pourquoi nous avons besoin de beaucoup de calculs pour simuler une seule réaction. Parce que chercher des réactions chimiques avec des simulations, c'est en fait un peu comme regarder l'autoroute pendant quelques secondes, en espérant assister à un carambolage à ce moment-là. Les chances sont minces, et vous ne verrez probablement que des frétillements "inintéressants", sans aucune réponse. Pour observer une réaction chimique dans la simulation, il faut donc faire un long film, ou calculer pendant des années avec un supercalculateur. Retour à la case départ, alors ?
L'expérience virtuelle prendrait des années pour faire une prédiction
J'ai résolu ce problème dans ma recherche doctorale à l'Université d'Anvers. J'ai développé une nouvelle méthode de simulation qui provoque spécifiquement des collisions de chaînes dures entre molécules. Pendant la simulation, les atomes reçoivent des poussées supplémentaires dont la force et la direction sont automatiquement ajustées pendant la simulation. Cela rend les collisions plus puissantes et les chances de réactions des millions de fois plus grandes. Les simulations sont donc beaucoup plus courtes :pas des années, mais seulement des jours ou des heures. De cette façon, ma technique de simulation est un véritable laboratoire virtuel :je dis quelles substances sont combinées dans une réaction, et après le calcul, l'ordinateur indique quels sont les produits.
Mais l'expérience virtuelle est-elle aussi réaliste ? Vous ne pouvez en être sûr que si vous comparez les prédictions des simulations avec des expériences "réelles". Un processus chimique bien connu est la combustion du diesel dans un moteur de voiture. Les réactions complexes qui se produisent – et les différents produits qu'elles forment – en font un test difficile pour ma technique de simulation. Et bien sûr :même pour ce processus compliqué, ma méthode a pu fournir une prédiction parfaitement conforme aux expériences du passé.
La divination chimique semble à portée de main. Pourtant une simulation n'est pas encore une boule de cristal parfaite
Ma technique de simulation peut également découvrir de nouvelles réactions de la même manière. La divination chimique semble vraiment à portée de main. Pourtant, une simulation n'est pas encore une boule de cristal parfaite. Après tout, les modèles informatiques restent des approximations de la réalité. Donc, quoi que prédise la simulation, des expériences sont encore nécessaires pour vérifier. En fin de compte, les expériences et les simulations offrent chacune leur propre point de vue unique sur un problème, elles sont donc optimales lorsqu'elles peuvent travailler ensemble. Les simulations sont « propres » et fournissent beaucoup de détails, mais les expériences sont en passe de devenir des applications réelles.
Et nous revenons donc à notre recherche de matériaux pour le CO2 -dégradation. Mes simulations ont prédit qu'un certain nombre de matériaux à base d'aluminium sont très bons au CO2 les convertir, à condition qu'ils soient chargés électriquement. Nous pourrions obtenir cette charge électrique à partir de l'énergie solaire ou éolienne, et ainsi reconvertir les gaz d'échappement industriels en matières premières utiles de manière durable.
Mais je ne peux pas vous dire en toute sécurité derrière mon ordinateur comment cela devrait fonctionner dans la pratique. Ils devront encore se salir les mains dans le laboratoire pour cela.
Kristof Bal a été nominé pour la Flemish PhD Cup pour ses recherches sur les simulations microscopiques et la chimie macroscopique.
