La chimie quantique au banc d'essai

28.07.2022 - Allemagne

À l'avenir, de plus en plus de médicaments, de matériaux et de catalyseurs seront conçus, testés et développés uniquement par simulation informatique. Mais pour cela, il faut des algorithmes suffisamment précis pour prédire la chimie de la vie réelle. Un exemple particulier est la catalyse, où les constantes de taux élémentaires (la vitesse à laquelle les réactions se produisent) peuvent être modélisées par des méthodes de chimie quantique.

Une équipe de l'université de Göttingen et de l'Institut Max Planck pour les sciences naturelles multidisciplinaires à Göttingen a maintenant réussi à déterminer les constantes de vitesse élémentaires pour la recombinaison des atomes d'hydrogène sur le platine en molécules d'hydrogène.

Malheureusement, lors du développement de simulations informatiques, de nombreuses approximations simplificatrices sont utilisées pour rendre le problème en question soluble par le calcul, ce qui se fait au détriment de la force de prédiction. Pour compliquer encore les choses, très peu de constantes de vitesse élémentaires sont connues par l'expérience et sont suffisamment précises pour servir de valeurs de référence critiques. Au cours des trois dernières années et demie, l'école doctorale BENCh de l'université de Göttingen a fourni des données décisives pour la vérification et l'amélioration des simulations informatiques et vient de franchir une étape importante.

L'étude expérimentale actuelle de Göttingen porte sur la réaction chimique la plus simple possible sur une surface catalytique, dont la constante de vitesse n'a pas encore pu être déterminée et qui était inaccessible pour la simulation. Les auteurs montrent qu'une contribution importante à l'écart entre la théorie et l'expérience résulte d'une mauvaise prise en compte des effets quantiques nucléaires liés à la faible masse de l'atome d'hydrogène. Une méthode de mécanique classique, qui ne pouvait pas prendre en compte le principe d'incertitude d'Heisenberg, prédisait une entropie trop faible de l'adsorbat, ce qui se traduisait par une erreur allant jusqu'à trois ordres de grandeur sur la constante de vitesse. En outre, l'équipe a présenté des signes clairs de l'importance du spin des électrons dans les réactions chimiques sur les surfaces métalliques - un effet quantique qui a été ignoré jusqu'à présent dans la catalyse hétérogène assistée par ordinateur.

L'école doctorale organise également des "Blind Challenges", au cours desquels différentes méthodes et logiciels s'affrontent à la recherche des algorithmes les plus robustes. Le concours Fe-MAN (Ferrates - Microkinetic Assessment of Numerical Quantum Chemistry), qui se déroule jusqu'au 15 septembre 2022, invite des groupes du monde entier à prédire des constantes de vitesse mesurées in silico dans le laboratoire Koszinowski de Göttingen. "Notre objectif est de créer des repères qui passent l'épreuve du temps dans le développement de logiciels de chimie quantique, tout en évaluant honnêtement où nous en sommes", explique le professeur Ricardo Mata, porte-parole de l'école doctorale.

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