Des scientifiques de l’université Radboud, dirigés par Alex Khajetoorians et Daniel Wegner, ont mis au point un simulateur quantique pour créer des molécules synthétiques qui imitent étroitement les molécules réelles, ce qui leur permet de modifier les propriétés moléculaires par des moyens généralement difficiles à mettre en œuvre avec les molécules réelles. Le simulateur, qui permet de mieux comprendre les réactions moléculaires, a des applications potentielles allant du développement de nouveaux matériaux pour le matériel informatique futur à la possibilité de fonctionner comme des ordinateurs quantiques à l’avenir.
Des chercheurs de l’université Radboud, dirigés par Alex Khajetoorians et Daniel Wegner, ont réussi à créer des molécules synthétiques qui reproduisent fidèlement les caractéristiques des molécules organiques. Cette équipe interdisciplinaire peut désormais simuler les actions de molécules authentiques par le biais de ces constructions artificielles. Cette approche innovante leur permet de modifier les caractéristiques des molécules d’une manière qui serait normalement difficile ou irréaliste, améliorant ainsi leur compréhension des transformations moléculaires.
Emil Sierda, responsable de la conduite des expériences à l’université Radboud, a déclaré : « Il y a quelques années, nous avons eu l’idée folle de construire un simulateur quantique. Nous voulions créer des molécules artificielles qui ressemblaient à des molécules réelles. Nous avons donc mis au point un système dans lequel nous pouvons piéger des électrons. Les électrons entourent une molécule comme un nuage, et nous avons utilisé ces électrons piégés pour construire une molécule artificielle ».
Les résultats obtenus par l’équipe sont étonnants.
Sierda : « La ressemblance entre ce que nous avons construit et les vraies molécules était troublante. »
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Modifier les molécules
Alex Khajetoorians, chef du département de microscopie à sonde à balayage (SPM) à l’Institut des molécules et des matériaux de l’université Radboud, a déclaré : « Il est déjà assez difficile de fabriquer des molécules. Ce qui est souvent plus difficile, c’est de comprendre comment certaines molécules réagissent, par exemple comment elles changent lorsqu’elles sont tordues ou modifiées ». La façon dont les molécules changent et réagissent est la base de la chimie et conduit à des réactions chimiques, comme la formation d’eau à partir d’hydrogène et d’oxygène.
« Nous voulions simuler les molécules, afin de disposer de la boîte à outils ultime pour les tordre et les régler d’une manière qui est presque impossible avec de vraies molécules. De cette façon, nous pouvons dire quelque chose sur les vraies molécules, sans les fabriquer ou sans avoir à faire face aux défis qu’elles posent, comme leur forme constamment changeante. »
Benzène
À l’aide de ce simulateur, les chercheurs ont créé une version artificielle de l’une des molécules organiques de base en chimie : le benzène. Le benzène est le composant de départ d’un grand nombre de produits chimiques, comme le styrène, utilisé pour fabriquer le polystyrène. Khajetoorians : « En fabriquant du benzène, nous avons simulé une molécule organique classique et construit une molécule composée d’éléments qui ne sont pas organiques. De plus, les molécules sont dix fois plus grosses que leurs homologues réels, ce qui les rend plus faciles à manipuler.
Utilisations pratiques
Les possibilités d’utilisation de cette nouvelle technique sont infinies. Daniel Wegner, professeur assistant au sein du département SPM : « Nous commençons à peine à imaginer ce que nous pourrions faire avec cette technique. Nous avons tellement d’idées qu’il est difficile de savoir par où commencer. »
En utilisant le simulateur, les scientifiques peuvent mieux comprendre les molécules et leurs réactions, ce qui les aidera dans tous les domaines scientifiques imaginables.
Wegner : « Les nouveaux matériaux pour le futur matériel informatique sont très difficiles à fabriquer, par exemple. En réalisant une version simulée, nous pouvons rechercher les nouvelles propriétés et fonctionnalités de certaines molécules et évaluer s’il vaut la peine de fabriquer le vrai matériau. »
Dans un avenir lointain, toutes sortes de choses pourraient être possibles : comprendre les réactions chimiques étape par étape, comme dans une vidéo au ralenti, ou fabriquer des dispositifs électroniques artificiels à molécule unique, comme réduire la taille d’un transistor sur une puce d’ordinateur. Il est même suggéré que les simulateurs quantiques fonctionnent comme des ordinateurs quantiques.
Sierda : « Mais c’est un long chemin à parcourir. Pour l’instant, nous pouvons commencer à comprendre les molécules d’une manière que nous n’avons jamais comprise auparavant. »
Référence : « Quantum simulator to emulate lower-dimensional molecular structure » par E. Sierda, X. Huang, D. I. Badrtdinov, B. Kiraly, E. J. Knol, G. C. Groenenboom, M. I. Katsnelson, M. Rösner, D. Wegner et A. A. Khajetoorians, 8 juin 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adf2685
La recherche a été menée par une collaboration de l’Université Radboud entre les groupes de Malte Rösner (Théorie de la matière condensée), Mikhail Katsnelson (Théorie de la matière condensée), Gerrit Groenenboom (Chimie théorique), Daniel Wegner (SPM) et Alex Khajetoorians (SPM).