Catalyser la découverte de catalyseurs grâce à l’IA : Realcat et Entalpic en passe de relever le défi

Hébergé depuis mai 2014 au sein de Centrale Lille, l’Equipex Realcat – dont nous vous avions proposé une présentation exhaustive l’an dernier à l’occasion de son 10^e anniversaire – dispose, depuis lors, de capacités d’expérimentation décuplées, lui permettant de réduire drastiquement le temps nécessaire à la découverte et à l’optimisation de nouveaux catalyseurs. Pour pousser encore plus loin les capacités de la plateforme, ses responsables se sont récemment mis en quête d’un partenaire capable de l’épauler sur le plan du développement d’outils d’IA appliquée à la découverte de catalyseurs. C’est finalement au détour d’une rencontre fortuite que les équipes de Realcat découvrent le potentiel de l’offre développée par Entalpic, et vice-versa. Ce qui amène finalement les deux structures à la signature d’un accord de partenariat, rendu public en septembre dernier. Un coup de foudre scientifique sur lequel ont accepté de revenir plus en détail Egon Heuson, chargé de recherche au sein de l’Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS) de Centrale Lille, et Alexandre Duval, cofondateur et directeur scientifique d’Entalpic.

Techniques de l’Ingénieur : Alexandre Duval, pouvez-vous vous présenter en quels mots, et nous expliquer ce qui vous amené à cofonder Entalpic ?

Alexandre Duval : J’ai cofondé Entalpic aux côtés de Victor Schmidt et de Mathieu Galtier. Nous avons tous les trois une formation en ingénierie – à CentraleSupélec pour moi, à l’École Polytechnique pour Victor, et à Mines Paris-PSL pour Mathieu — ainsi qu’un doctorat dans le domaine des mathématiques appliquées, de l’informatique et de l’IA appliquée aux matériaux. J’ai, pour ma part, travaillé durant ma thèse à la fois à CentraleSupélec, en France, et à Mila, au Québec, où j’ai eu l’opportunité de travailler avec le Pr. Yoshua Bengio. Il a été un vrai role model pour moi. Nous avons été parmi les premiers à travailler sur le sujet de la découverte de nouveaux catalyseurs grâce à l’IA. Avec l’appui de chercheurs de Meta, nous avons contribué à l’essor de modèles prédictifs et génératifs permettant d’explorer cet espace chimique infini, et de prédire ainsi l’efficacité des catalyseurs. C’est pour mettre ce travail à profit du monde industriel que j’ai créé Entalpic, il y a deux ans maintenant.

Nous sommes aujourd’hui une trentaine, tous basés à Station F, et faisons partie de la French Tech 2030. Notre volonté est d’accélérer la R&D industrielle, en offrant aux chimistes des outils leur permettant de concentrer leurs efforts sur du travail à valeur ajoutée. L’idée n’est pas de remplacer les équipes de chimistes, mais bien de les « augmenter », en leur donnant les moyens de comprendre pourquoi une réaction fonctionne, quelle famille de catalyseurs a le plus grand intérêt, etc. Le tout, dans l’optique de les aider à développer de meilleurs matériaux, dans le domaine des batteries électriques et des semi-conducteurs notamment.

Realcat est déjà bien connue des lectrices et lecteurs du Magazine d’Actualité ; Egon Heuson pouvez-vous néanmoins nous préciser le rôle que vous jouez au sein de cette plateforme ?

Egon Heuson : Je suis chargé de recherche à Centrale Lille, au sein de l’Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS). Je me suis d’abord et avant tout intéressé, de par ma formation, à la biocatalyse. Ces dernières années, je me suis néanmoins tourné vers d’autres thématiques : la catalyse hybride – qui consiste, en substance, à combiner catalyseurs chimiques et biologiques pour en faire des matériaux multi-catalytiques hybrides –, mais aussi l’utilisation de l’IA pour la prédiction de nouveaux catalyseurs, au sein notamment de la plateforme Realcat. J’assiste en effet depuis deux ans environ le Pr. Sébastien Paul, professeur à Centrale Lille et coordinateur de la plateforme, sur l’utilisation de l’IA dans le domaine de la catalyse hétérogène.

Quelles sont les origines de la signature de cet accord de partenariat entre Centrale Lille et Entalpic, que vous avez annoncée le 22 septembre dernier ?

EH : Tout est parti d’une rencontre fortuite entre Sébastien Paul et Mathieu Galtier lors du Congrès Mondial de la Catalyse (ICC) en 2024, à Lyon. Cette belle rencontre s’est faite alors qu’Entalpic venait tout juste d’être créée. Realcat se situait quant à elle à un tournant sur le plan de l’utilisation de l’IA. Nous commencions à atteindre nos limites en matière de développement d’algorithmes en interne, et peinions à trouver des partenaires sensibles à la dimension appliquée de l’IA. Rares sont en effet les acteurs du domaine à proposer des modèles suffisamment malléables pour faire face aux inévitables imprécisions liées à l’expérimentation réelle… Parce que la start-up avait une vraie volonté d’application concrète de ses modèles d’IA, Entalpic nous est donc apparu comme le partenaire idéal.

AD : Nous avons nous aussi tout de suite perçu la potentielle complémentarité entre nos deux structures. Mettre en place des synergies au travers d’une collaboration nous a donc tout simplement semblé évident.

Quels objectifs visez-vous, très concrètement, au travers de ce projet collaboratif, baptisé Realtalpic ?

AD : Notre objectif ultime est de parvenir à faire de la rétrosynthèse de catalyseurs. Cela consiste, en partant d’une réaction donnée, à aller explorer l’espace chimique, pour trouver quel type de catalyseur et quel « mix » de matériaux permet de favoriser au mieux la réaction. Nous développons pour cela des algorithmes d’IA générative permettant de « créer » de nouvelles structures catalytiques, ainsi que des algorithmes prédictifs, chargés, quant à eux, de prédire l’activité catalytique de ces structures. Tout cela repose évidemment sur l’IA, mais aussi sur des plateformes de cheminformatics, et même des outils de simulation quantique.

Nous avons pour cela criblé des centaines de milliers de catalyseurs. Nous sommes aujourd’hui en mesure de proposer à Realcat ceux qui se révèlent les plus pertinents pour une réaction donnée. Avec son expertise, Realcat va ainsi pouvoir sélectionner ceux sur lesquels il est le plus intéressant qu’elle se concentre, dans le but, in fine, de parvenir à les synthétiser de façon optimale, et à les tester à grande échelle.

EH : Pour faire une analogie, on pourrait dire que le rôle d’Entalpic a d’abord consisté à cribler toutes les cartes d’identité de la population française, pour finalement extraire de ce jeu de cartes celles appartenant aux personnes les plus compétentes pour la tâche que nous avions sélectionnée. Dans le cas de la catalyse, chacune de ces « cartes d’identité » rassemble un ensemble de propriétés qui font qu’un catalyseur a des chances de fonctionner pour une réaction donnée. Charge à nous, Realcat, de voir s’il est possible de les synthétiser, puis, le cas échéant, de les tester.

Nous faisons déjà, pour l’heure, un premier tri à l’aide de nos connaissances et de nos propres méthodes — demain, des outils d’aide à la décision développés par Entalpic nous y aideront aussi très certainement. Nous sélectionnons un sous-ensemble de catalyseurs, que nous allons ainsi, ensuite, pouvoir synthétiser rapidement grâce à nos techniques haut débit, avant de mesurer à quel point ces catalyseurs produits se rapprochent de la « carte d’identité » établie par Entalpic.

Les informations obtenues sont alors compilées pour fournir un score permettant à Entalpic d’ajuster son modèle. Ceci, dans le but d’améliorer ses capacités à prédire les « cartes d’identité » des meilleurs catalyseurs pour une réaction donnée, tout en veillant à ce qu’ils soient le plus facilement synthétisables possible. À l’issue de notre projet, nous pourrons ainsi établir une véritable boucle de rétroaction, dont nous allons tirer parti afin de tendre vers le meilleur catalyseur possible pour chacune des réactions sur lesquelles nous serons amenés à travailler.

La très grande majorité des travaux publiés à l’heure actuelle dans ce domaine sont basés sur des données issues de la littérature, notamment des bases de données open source, théoriquement fiables, mais qui comportent, en fait, énormément d’approximations qui posent des problèmes en matière de reproductibilité des résultats…

Nous avons d’ailleurs d’ores et déjà, dans le cadre de Realtalpic, commencé à vérifier les données de la littérature. Résultat : nous sommes assez peu confiants dans leur fiabilité, au vu des observations que nous avons faites après synthèse de ces catalyseurs. Leur efficacité catalytique est notamment fortement surestimée dans beaucoup de cas. Cela montre à quel point il est important de tester in vitro ces catalyseurs, pour pouvoir affiner les modèles développés sur la base de données théoriques issues de la littérature. La réalité du terrain est bien souvent très différente des systèmes théoriques parfaits… Le constat est implacable : il faut de la donnée testée ! C’est donc ce que nous faisons actuellement dans le cadre du projet Realtalpic.

Outre ces aspects théoriques, sur le plan pratique, nous avons choisi une réaction de très grand intérêt comme preuve de concept : le cracking de l’ammoniac pour la production de dihydrogène. Notre objectif est de parvenir à développer un catalyseur optimisé par IA pour cette réaction, que nous pourrions ensuite breveter, en vue d’une exploitation par un partenaire industriel. Nous espérons aboutir d’ici à la fin du premier semestre de cette année.

Votre partenariat est signé pour (au moins) 18 mois… Quelles grandes étapes comptez-vous franchir dans ce laps de temps ?

AD : Egon évoquait à l’instant la perspective de dépôt d’un premier brevet. Je pense que nous serons en capacité de déposer plusieurs autres demandes prochainement. D’autant que nous sommes capables de généraliser notre approche à d’autres types de réactions. Si ce premier brevet aboutit comme nous l’espérons, et que l’intérêt industriel se confirme, je pense que cette collaboration se poursuivra dans la durée, et que nous pourrons nous attaquer, ensemble, à des défis de plus en plus ambitieux !

EH : Il est probable que le projet de recherche fondamentale se poursuive. Mais nous réfléchissons d’ores et déjà au développement d’une offre de prestation, à destination des industriels, adaptée au cas par cas à leurs besoins, sur la base de la preuve de concept que nous avons mise en place.

De par les relations que vous entretenez d’ores et déjà avec des industriels de tous horizons, quel regard portent-ils sur l’utilisation de l’IA ? Cela suscite chez eux de l’intérêt, et/ou des craintes, notamment en matière d’explicabilité… ?

AD : On ne ressent pas vraiment de crainte de leur part, dans le sens où l’utilisation que nous faisons de l’IA ne représente pas de risque pour leur production. Au contraire, ils voient globalement l’IA comme un moyen de mieux comprendre les réactions chimiques qu’ils mettent en œuvre, de donner davantage d’intuition à leurs équipes de chimistes, et donc, d’obtenir finalement encore plus d’explicabilité.

EH : Les industriels de la chimie sont effectivement très intéressés par l’IA. L’avènement des outils de ce type suscite clairement un engouement. D’autant que, je le confirme, il n’y a pas de risque réel à les utiliser. L’offre que nous développons ne fera au contraire qu’accélérer la découverte de catalyseurs fonctionnels.

Realcat a ceci de particulier qu’elle s’intéresse à la fois à la catalyse chimique et à la biocatalyse… Est-ce également le cas de Realtalpic ?

EH : Non. Dans ce projet, nous nous concentrons uniquement sur la catalyse hétérogène chimique, avec des applications plutôt centrées autour de la production de molécules énergétiques. Le volet biocatalyse n’est pas du tout au programme. Pour plusieurs raisons. La première est tout simplement qu’Entalpic n’a, pour l’instant, pas développé d’outils dans le domaine des biotechnologies. L’autre raison est que Realcat est davantage visible dans le domaine de la catalyse chimique, parce qu’elle y est quasiment unique au monde ; les plateformes de criblage en biocatalyse sont au contraire plus nombreuses.

Nous ne savons toutefois pas de quoi l’avenir sera fait… ! Depuis sa création, Realcat se situe en effet à l’interface de la catalyse chimique et de la biocatalyse. C’est même ce qui lui a permis de voir le jour. Nous continuons donc, de notre côté, à avancer dans ces deux voies. Si, un jour, Entalpic s’intéresse également à la biocatalyse, nous pourrions alors, pourquoi pas, élargir notre collaboration en explorant également ensemble ce domaine.