La spectroscopie d’absorption est un outil précieux en chimie analytique, capable de déterminer la présence d’une substance spécifique dans un échantillon en mesurant l’intensité de la lumière absorbée en fonction de la longueur d’onde. Cette technique offre des informations cruciales sur la structure électronique, l’état quantique, la concentration de l’échantillon, les changements de phase ou de composition, entre autres variables, y compris l’interaction avec d’autres molécules et les applications technologiques possibles.
Les molécules et la lumière
Les molécules ayant une forte probabilité d’absorber simultanément deux photons de lumière de faible énergie ont une large gamme d’applications : en tant que sondes moléculaires pour la microscopie à haute résolution, comme substrat pour le stockage de données dans des structures tridimensionnelles denses, ou comme vecteurs dans les traitements médicinaux, par exemple.
L’étude de ce phénomène par l’expérimentation directe est difficile, et la simulation informatique complète généralement la caractérisation spectroscopique. La simulation offre également une vue microscopique difficile à obtenir dans les expériences.
Le problème est que les simulations impliquant des molécules relativement grandes nécessitent plusieurs jours de traitement par des superordinateurs ou des mois par des ordinateurs conventionnels. Pour surmonter cette difficulté, une méthode de calcul alternative a été proposée par le physicien Tárcius Nascimento Ramos et ses collaborateurs.
Une nouvelle méthode de calcul
Ramos a obtenu un doctorat en 2020 à l’Institut de Physique de l’Université de São Paulo (IF-USP) au Brésil, avec une bourse de la FAPESP. Il est actuellement chercheur au Fonds National pour la Recherche Scientifique (F.R.S.-FNRS) à l’Université de Namur en Belgique.
« Nous avons évalué la performance d’une méthode semi-empirique très utilisée dans les décennies passées mais plus récemment négligée par la communauté scientifique en raison de sa nature approximative. Grâce à cette méthode, nous avons pu réduire le temps de calcul à quatre heures sur un ordinateur conventionnel. Le faible coût informatique nous a permis de considérer un grand échantillon statistique pour les simulations de molécules en solutions, ce qui n’est pas réalisable avec la méthode actuellement hégémonique », a indiqué le physicien à l’Agência FAPESP.
En synthèse
La méthode hégémonique actuelle est la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), un outil mathématique largement utilisé en mécanique quantique pour décrire les propriétés électroniques de systèmes complexes sans avoir à enquêter sur les fonctions d’onde individuelles de chaque électron.
« La méthode alternative que nous avons utilisée était INDO/S [négligence intermédiaire de chevauchement différentiel avec paramétrisation spectroscopique]. Elle est basée sur la fonction d’onde du système moléculaire mais résout de manière approximative. Des parties des calculs complexes et coûteux en calcul sont remplacées par des valeurs tabulées obtenues en ajustant les données spectroscopiques expérimentales. Cela rend la méthode très efficace pour les études théoriques de grands composés moléculaires », a expliqué Tárcius Ramos.
« En fin de compte, nous avons comblé le fossé expérimental en caractérisant au niveau microscopique les spectres d’absorption à un et deux photons pour cette classe de molécules. Nous avons constaté que la méthode semi-empirique que nous avons testée, souvent négligée en raison de sa nature approximative, est la plus appropriée pour prédire les spectres d’absorption à un et deux photons de grandes molécules en solution. Cette découverte indique une voie pour les ingénieurs moléculaires pour développer de nouveaux composés avec une plus grande efficacité dans leurs différentes branches d’application », a conclu le physicien.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que la spectroscopie d’absorption ?
La spectroscopie d’absorption est une technique de chimie analytique qui permet de déterminer la présence d’une substance spécifique dans un échantillon en mesurant l’intensité de la lumière absorbée en fonction de la longueur d’onde.
2. Quelles sont les applications des molécules qui absorbent simultanément 2 photons
Ces molécules ont une large gamme d’applications, notamment en tant que sondes moléculaires pour la microscopie à haute résolution, comme substrat pour le stockage de données dans des structures tridimensionnelles denses, ou comme vecteurs dans les traitements médicinaux.
3. Quelle est la difficulté rencontrée dans l’étude de ces molécules ?
L’étude de ce phénomène par l’expérimentation directe est difficile, et la simulation informatique complète généralement la caractérisation spectroscopique. Les simulations impliquant des molécules relativement grandes nécessitent plusieurs jours de traitement par des superordinateurs ou des mois par des ordinateurs conventionnels.
4. Quelle est la nouvelle méthode de calcul proposée ?
Une méthode de calcul alternative a été proposée par le physicien Tárcius Nascimento Ramos et ses collaborateurs. Cette méthode semi-empirique, appelée INDO/S, permet de réduire le temps de calcul à quatre heures sur un ordinateur conventionnel.
5. Quels sont les avantages de cette nouvelle méthode ?
La méthode INDO/S est très efficace pour les études théoriques de grands composés moléculaires. Elle est la plus appropriée pour prédire les spectres d’absorption à un et deux photons de grandes molécules en solution.
Article : « Représentation des molécules organiques étudiées, entourées de molécules d’eau » – Crédit : Tárcius Nascimento Ramos
The Journal of Chemical Physics (JCP), Agência FAPESP, Université de São Paulo, Université de Namur, Fonds National pour la Recherche Scientifique (F.R.S.-FNRS). DOI: 10.1063/5.0152308
