Une énigme en chimie théorique a été résolue à la TU Wien : une nouvelle méthode informatique permet désormais de calculer les forces entre les grosses molécules avec une précision sans précédent.
Pourquoi les geckos peuvent-ils grimper sur les murs ? Pourquoi l’azote devient-il liquide à –196°C ? De nombreux phénomènes quotidiens peuvent s’expliquer par les forces de Van der Waals, c’est-à-dire des liaisons faibles entre molécules notoirement difficiles à calculer. Pendant des années, les scientifiques ont dû composer avec le fait que différentes méthodes informatiques produisaient des résultats contradictoires.
Aujourd'hui, les chercheurs de la TU Wien ont résolu cette divergence et trouvé une solution. Ironiquement, c'est la méthode même longtemps considérée comme le « gold standard » de la chimie quantique qui s'est avérée être à l'origine de l'erreur : elle surestime systématiquement l'énergie contenue dans certaines liaisons moléculaires.
Grâce à une variante améliorée, l'équipe de la TU Wien peut désormais prédire correctement le comportement des grosses molécules, une étape essentielle pour comprendre les systèmes biologiques et faire progresser les technologies d'énergies renouvelables. L'étude est publiée dans Communications naturelles.
Un mystère de chimie
« Pour décrire les liaisons entre les grosses molécules, les scientifiques utilisent différentes approches informatiques », expliquent Tobias Schäfer et Andreas Irmler, premiers auteurs de la nouvelle étude. En collaboration avec Alejandro Gallo et le professeur Andreas Grüneis, chef du groupe de recherche, ils ont comparé les méthodes les plus largement utilisées.
« Une option consiste à utiliser des simulations quantiques de Monte Carlo », explique Schäfer. « Ici, l'ordinateur explore d'innombrables arrangements possibles d'électrons, en conservant ceux qui sont énergétiquement favorables et en rejetant ceux qui sont défavorables. Une autre option est ce qu'on appelle l'approche des clusters couplés », ajoute Irmler. « Dans ce cas, les molécules sont traitées dans leurs états de basse énergie, et des configurations de plus haute énergie sont ajoutées ultérieurement comme une sorte de correction. »
« Cette méthode de cluster couplé a longtemps été considérée comme la référence », explique Schäfer. « Mais plus nous y regardions de près, plus il devenait clair qu'il y avait des écarts légers mais persistants par rapport aux résultats de Monte Carlo – et pendant des années, personne ne savait pourquoi. »
L'équipe de la TU Wien a maintenant trouvé la réponse : « Nous avons découvert que la méthode des clusters couplés surestime systématiquement les énergies de liaison dans les grosses molécules hautement polarisables », explique Irmler. « Notre variante améliorée corrige cet écart sans augmenter significativement le coût de calcul. » Avec cette correction, les résultats s’alignent désormais beaucoup plus étroitement sur les données quantiques de Monte Carlo.
Grosses molécules : grande importance
Cette avancée est particulièrement cruciale pour les grands systèmes moléculaires. « Si vous souhaitez décrire des molécules contenant jusqu'à une centaine d'atomes, l'effort de calcul devient énorme », explique Gallo. « Même les plus grands supercalculateurs du monde atteignent leurs limites. Pour obtenir des prévisions fiables, nous avons besoin de méthodes d'approximation très sophistiquées. »
Et les grosses molécules deviennent de plus en plus importantes, dans des domaines allant de la recherche sur les matériaux au développement pharmaceutique. « Si nous voulons comprendre comment un médicament cristallise à l'intérieur d'un comprimé, ou avec quelle force un matériau lie l'hydrogène pour le stockage d'énergie, nous devons modéliser avec précision les forces de Van der Waals », explique Schäfer.
De la théorie fondamentale aux applications pratiques
La nouvelle méthode permet d'obtenir des données de référence plus fiables, non seulement pour les simulations traditionnelles, mais également comme données de formation pour les modèles d'IA. De tels modèles sont déjà utilisés pour concevoir de nouveaux matériaux et produits pharmaceutiques dans des environnements virtuels.
« Nous construisons un pont entre la précision ultime et la convivialité pratique », déclare le professeur Grüneis de l'Institut de physique théorique de la TU Wien. « Cela ouvre de nouvelles possibilités pour la science des matériaux. Nos résultats montrent que même les méthodes bien établies doivent être continuellement réexaminées pour répondre aux exigences croissantes de la recherche moderne. »
