Avant propos – Introduction
Les termes de Mécanique Quantique, Physique quantique et Chimie quantique sont des termes qui effraient souvent le lecteur. S'il est vrai que le développement des théories requiert des notions de mathématiques relativement avancées et parfois une certaine nécessité d'abstraction, il n'en demeure pas moins que les développements récents des logiciels rendent désormais accessibles une grande partie de leur domaine d'application.
En particulier, la Chimie quantique, aussi dénommée Chimie théorique ou Modélisation moléculaire, a fait l'objet de nombreux développements logiciels qui permettent à un chimiste avisé de réaliser des calculs plus ou moins compliqués et surtout d'en tirer des résultats qui lui permettront une analyse affinée du système moléculaire étudié. Afin de rendre encore plus populaire ce type d'analyse, nous proposons à travers ce module Unisciel de « Modélisation Moléculaire : la Chimie Quantique » quelques brefs rappels théoriques mais surtout de mettre en avant quelques champs d'applications potentielles en décrivant à chaque fois les méthodes de calculs et les analyses pertinentes.
Toutefois, les thèmes choisis ici, restent dans le cadre d'une progression pédagogique touchant des thèmes allant de la première année universitaire jusqu'à la troisième. Nuls doutes que l'utilisateur intéressé trouvera, notamment à l'aide des différents tutoriaux du logiciel proposé ou de publications scientifiques, la possibilité d'aller plus loin que les sujets de calculs proposés ici. Enfin, la désacralisation de la Chimie théorique en l'abordant par aspect calculatoire, la Chimie computationnelle, peut être utilisée comme un outil pédagogique pour aborder, dans le cadre d'un champ pédagogique élargi, de nombreuses notions de Chimie, dépassant le cadre d'une simple maquette d'enseignement.
Commençons par une description de l'intérêt que l'on peut porter à ces techniques.
A quoi sert un calcul de Chimie quantique ? Qui peut avoir utilité d'un calcul de Chimie quantique ?
Un calcul de Chimie quantique, appliqué à un système moléculaire permet d'obtenir des données importantes concernant ce système. Elles peuvent être d'ordre structural, énergétique, électronique... Ces propriétés, dès lors qu'elles sont bien analysées, vérifiées et interprétées deviennent alors un complément précieux pour comprendre, et même anticiper la réactivité du système considéré.
Dès lors, dans le cadre d'une démarche d'analyse d'un problème complexe, la Chimie quantique trouve toute sa place. Elle devient un support à l'analyse d'un spectre, à l'établissement d'une échelle d'affinité, à une meilleure compréhension d'un taux de conversion... Ces calculs sont désormais incontournables lorsque la problématique est abordée dans une volonté transdisciplinaire.
Il faut toutefois rester vigilant lors de l'utilisation de telles méthodes de calcul. La mise en œuvre de cet outil puissant peut receler de nombreux écueils et une analyse erronée pourrait entacher la démarche globale de clarification.
Ainsi, ce module vise à donner quelques règles simples pour mettre en route un calcul de chimie quantique et quelques clefs pour éviter certaines de ces chausse-trappes.
Quelles informations peut-on tirer d'un calcul de Chimie quantique ?
Si l'on applique un calcul sur une molécule :
- une structure optimisée
- une énergie globale pour la molécule
- une répartition des charges atomiques
- un diagramme d'énergie des orbitales moléculaires
- un spectre simulé
- ...
Dans le cadre de l'application de plusieurs calculs :
- une échelle de stabilité pour différentes conformations moléculaires
- un mécanisme réactionnel
- un spectre moyen
- une énergie d'interaction
- ...
De quoi a-t-on besoin pour effectuer un calcul de Chimie quantique ?
Outre un ordinateur puissant, un logiciel de Chimie quantique et un sujet d'étude (découlant d'une problématique scientifique bien établie), deux phases doivent être mises en place :
- une bonne préparation du système moléculaire, nécessitant :
une structure de départ
une méthode de calcul
un logiciel de calcul
- une bonne analyse critique :
une bonne connaissance des bases de la Chimie
d'un logiciel de visualisation
un esprit critique par rapport aux hypothèses posées avant le calcul