Hervé TOULHOAT

Comment établir un lien entre les résultats de calculs menés à l’échelle microscopique et des propriétés mesurables à notre échelle macroscopique sur les systèmes matériels réels que l’ingénieur souhaite maîtriser ? L’objectif est double : « valider » le modèle moléculaire atomistique et prédire rapidement et avec précision des propriétés difficiles, coûteuses et longues à mesurer. La première étape est en principe un processus rétroactif en boucle, le modèle moléculaire devant être modifié jusqu’à l’obtention d’une convergence entre propriétés calculées et propriétés simulées. Avec la seconde étape commence l’application technique pour l’ingénieur.

Les méthodes de chimie quantique sont présentées, avec les méthodes de type « Hartree-Fock » et « post Hartree-Fock » d’une part, et les méthodes basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité électronique d’autre part. Ces dernières, aussi appelées DFT pour « Density Functional Theory »ont apporté récemment une véritable rupture en chimie théorique, avec une réduction considérable du temps de calcul d’une solution très précise de l’équation de Schrödinger polyélectronique pour des assemblées polyatomiques.

La modélisation moléculaire ouvre de nouvelles perspectives en reliant structures chimiques et propriétés via les premiers principes de la physique, permettant ainsi un tri virtuel des structures préalablement à toute expérimentation, voire préférablement à l’expérimentation, dès lors que le cahier des charges dépasse un certain seuil de complexité. Dans un contexte mondial toujours plus contraignant, dans le respect des conditions du développement durable, l’efficacité annoncée de la modélisation moléculaire devrait faire l’unanimité aux stades de la recherche et du développement.

Il existe de nombreuses techniques de construction de modèles moléculaires. L’art de l’ingénieur confronté à la modélisation moléculaire est de construire le modèle le plus adapté aux questions posées et aux ressources méthodologiques et informatiques disponibles. Le choix du modèle est donc une étape cruciale. Ce choix intégrera autant que possible le maximum d’informations analytiques disponibles. Ces informations, de type structural et spectroscopique par exemple, seront en retour autant de critères de contrôle des réponses apportées par les méthodes théoriques appliquées au modèle choisi.

Les méthodes de modélisation moléculaire continuent d'évoluer fortement, de même que leurs implémentations logicielles. Par ailleurs, le rythme d'amélioration des architectures, de la capacité mémoire, de la puissance graphique et du débit d'opérations arithmétiques élémentaires des machines reste tel que tout investissement est frappé d'obsolescence en moins de trois ans. L'accent est donc mis sur l'indispensable ouverture que doit cultiver tout praticien, tant aux nouvelles méthodes, qu'à l'évolution de son environnement et de ses moyens informatiques.