Modélisation moléculaire - Bases théoriques (partie 1)

Comment définir la modélisation moléculaire, et en quoi peut-elle être considérée comme une technique de l’ingénieur ?

Les sciences de la matière ont trouvé leur fondation depuis la fin du XIX ^e  siècle dans la théorie atomique. L’ingénieur concerné par les transformations utiles de la matière s’appuie sur une représentation atomistique et moléculaire des processus mis en jeu. À partir de telles descriptions microscopiques, les concepts de la thermodynamique, de la cinétique chimique, de la spectroscopie, de la cristallographie, de la physique du solide, etc., autorisent en principe des prédictions quantitatives d’observables macroscopiques. En pratique, ces concepts ont jusqu’à naguère essentiellement permis d’organiser et interpréter des mesures expérimentales et de baser les prédictions sur ces mesures. C’est ainsi, par exemple, qu’ont été constituées de vastes bases de données répertoriant les propriétés thermodynamiques de corps purs nécessaires à la conception initiale de procédés industriels.

Aujourd’hui, les progrès de l’informatique favorisent le déploiement des techniques de simulation numérique en tant qu’instrument exploratoire dans tous les domaines des sciences physiques, et en tant qu’instrument de conception en ingénierie. Les sciences de la matière et le génie des procédés ne sont pas en reste : pour autant, la simulation concerne des collections d’atomes, dont l’agrégation organisée à des degrés divers, de la petite molécule au cristal, sous-tend la diversité du réel perçu à l’échelle humaine, du minéral au vivant. Probablement parce que les chimistes les premiers y ont trouvé une extension naturelle de leurs modèles et maquettes moléculaires tridimensionnels à base de boules et baguettes, l’usage a consacré l’appellation «  modélisation moléculaire  » pour cette catégorie de simulations ou, terme souvent plus approprié, d’ expérimentations numériques .L’ingénieur chimiste au sens large cherche en effet à produire une matière à valeur d’usage : sa première cible est une propriété. La sensibilité croissante et très justifiée du consommateur aux nuisances potentielles des substances artificielles envers la santé humaine et l’environnement impliquent en fait un cahier des charges complexe de propriétés recherchées et de propriétés à éviter. La recherche exploratoire a très tôt tenté de dépasser le stade des « essais et erreurs » pour établir des « relations structures/propriétés ». Ces dernières procèdent d’abord par analogie, mais atteignent leur plus grande maturité lorsqu’elles se trouvent fondées dans un...