Chimie spatiale et chimie computationnelle

Le néologisme « computationnelle » qui figure en seconde position dans le titre de cet article (adapté de l'anglais courant computationnal), délimite un domaine de recherche très actif de nos jours. Les différentes méthodes de calcul de la chimie quantique y sont mises en œuvre sous forme de codes informatiques spécifiques en vue d'étudier les propriétés d'espèces chimiques variées (molécules libres ou incluses dans des agrégats, surfaces, solides, ou solutions), en relation aussi directe que possible avec des problèmes de structure ou de réactivité bien définis. La frontière séparant la réalité et la modélisation que l'on effectue varie selon le degré de complexité du phénomène étudié et la précision des théories que l'on emploie pour en réaliser une simulation sur ordinateur. L'éventail des grandeurs énergétiques et structurales et des propriétés spectroscopiques ou magnétiques susceptibles d'être calculées est large. La chimie computationnelle permet en outre d'aborder des problèmes de réactivité chimique grâce à l'évaluation des sections efficaces de collisions donc des constantes de vitesses. En ce qui concerne la chimie spatiale, pour laquelle les expériences de laboratoire pertinentes ne sont pas toujours réalisables, car trop onéreuses par rapport à un calcul, les méthodes actuelles de la chimie théorique font de la chimie computationnelle un outil puissant parfois incontournable pour l'étude de la chimie de l'espace. Elle s'applique à des milieux aussi divers que l'espace interstellaire, les atmosphères d'étoiles, celles des planètes, les comètes, les météorites…, et ce, tant sur le plan des observations (identification de nouvelles molécules) que sur le plan de la réactivité chimique (formation et destruction des molécules de l'espace). C'est l'objet du présent article.

Les méthodes de calcul utilisées pour traiter ces problèmes sont pour l'essentiel celle de la chimie théorique. Nous ne les développerons pas ici, car elles ont dejà fait l'objet d'un article et le lecteur intéressé pourra s'y référer pour de plus amples informations. Il pourra aussi consulter le très pédagogique ouvrage de J.L. Rivail (voir le Pour en savoir plus). Disons seulement que ces méthodes (théorie du champ self-consistant, interaction de configuration, théorie de la perturbation, théorie des fonctionnelles de la densité) s'inspirent du traitement du problème à N corps en mécanique quantique. Elles permettent aujourd'hui d'évaluer sur ordinateur, avec une bonne précision, les énergies électroniques et vibrationnelles des molécules de l'espace, ainsi que leurs caractéristiques physico-chimiques.