Une nouvelle application fait vibrer les molécules

Les molécules sont constamment en mouvement. Les liaisons entre les atomes vibrent, et leur force détermine la quantité d'énergie nécessaire à ces vibrations. Les atomes d'une molécule interagissent les uns avec les autres, faisant vibrer chaque liaison à une fréquence légèrement différente, que les chimistes peuvent mesurer par spectroscopie infrarouge (IR). Ces vibrations étant l'"empreinte digitale" d'une molécule, la spectroscopie infrarouge est devenue une technique clé de la chimie analytique ; elle est par exemple utilisée pour identifier les produits chimiques dans l'espace.

En raison de son rôle prépondérant, la spectroscopie IR est devenue un élément clé de l'enseignement de premier cycle. Les étudiants l'apprennent généralement dans deux cours différents : En chimie quantique, ils dérivent les équations qui décrivent le spectre de vibration attendu de certaines liaisons. Mais ces calculs ne sont généralement réalisables que pour de petites molécules de deux ou trois atomes - du moins manuellement. Dans le cours de chimie organique (laboratoire), les étudiants de premier cycle apprennent à utiliser des tables de recherche pour faire correspondre l'empreinte IR aux spectres IR figurant dans les ouvrages de référence.

Actuellement, les perspectives de la mécanique quantique et de la chimie organique sont déconnectées : Par exemple, si un étudiant souhaite comprendre comment les modifications d'une molécule particulière entraînent des modifications du spectre IR, la méthode de la mécanique quantique est trop complexe, alors que les tables de consultation ne contiennent probablement pas cette modification exacte.

Il est donc impossible pour les étudiants de développer une compréhension profonde et intuitive du lien entre la structure de la molécule et le spectre des vibrations. Mais une nouvelle application Web, qui combine des techniques de calcul et des technologies Web, offre aux étudiants un laboratoire virtuel qui les aide à explorer ce lien.

L'application Web, ir.cheminfo.org, est publiée dans la revue The Journal of Chemical Education. Elle est le fruit d'une collaboration entre Kevin Jablonka du Laboratoire de simulation moléculaire de l'EPFL, dirigé par le professeur Berend Smit, et Luc Patiny du groupe de cheminformatique de l'école.

L'application permet aux élèves de dessiner presque n'importe quelle molécule organique, puis elle effectue un calcul de chimie quantique sur un service Web. Elle affiche ensuite le résultat de manière interactive, en reliant les animations des vibrations directement aux pics du spectre, ce qui permet aux élèves de voir quelle partie de la molécule est à l'origine de quelle partie de l'empreinte IR. Ils peuvent même changer un groupe fonctionnel sur la molécule et voir comment cela affecte le spectre IR.

«Les commentaires les plus surprenants sur la version bêta de Web app sont venus d'universités de pays en développement ayant un accès limité aux spectromètres IR», déclare Berend Smit. «Ils nous ont dit que l'application leur permettait tout de même d'enseigner un cours de spectroscopie IR, ce qui illustre l'importance de notre approche. Le fait qu'il suffise d'un simple navigateur Web pour accéder à l'appli constitue son importante innovation technologique, du moins en termes de conception.»

Motivée par l'idée que le laboratoire virtuel peut faire la différence dans les endroits qui en ont le plus besoin, l'équipe travaille actuellement à étendre cette approche à d'autres techniques de spectroscopie.

L'application IR-spectrum est disponible ici: https://go.epfl.ch/learnir et la documentation sur son utilisation ici: https://go.epfl.ch/ir-prediction-docs