Chimie numérique

La chimie numérique est une branche de la chimie qui utilise la simulation sur ordinateur pour aider à la résolution de problèmes chimiques.

Il utilise des méthodes de chimie théorique, incorporées dans des programmes informatiques, pour calculer les structures et les propriétés de molécules et de solides. Cela est nécessaire car, mis à part les résultats relativement récents concernant l'ion moléculaire hydrogène (cation dihydrogène, voir les références dans ce document pour plus de détails), le problème quantique à corps multiples ne peut pas être résolu de manière analytique, encore moins sous une forme fermée.

Bien que les résultats informatiques complètent normalement les informations obtenues par des expériences chimiques, ils permettent dans certains cas de prédire des phénomènes chimiques jusqu'ici non observés . Il est largement utilisé dans la conception de nouveaux tapis et matériaux.

Des exemples de telles propriétés sont la structure (par exemple, les positions attendues des atomes constitutifs), absolus et relatifs (interaction) énergies, électronique densité de charge distributions, dipôles et plus élevés moments multipolaires, les fréquences de vibration, la réactivité, et des coupes transversales pour une collision avec d’autres glaçons.

Les méthodes utilisées couvrent des situations statiques et dynamiques. Dans tous les cas, le temps d’ordinateur et les autres ressources (telles que la mémoire et l’espace disque) augmentent rapidement avec la taille du système à l’étude.

Ce système peut être une molécule, un groupe de molécules ou un solide. Les méthodes de chimie computationnelle vont de très approximatives à très précises; ces derniers ne sont généralement réalisables que pour de petits systèmes. Les méthodes ab initio sont entièrement basées sur la mécanique quantique et de base des constantes physiques . D’autres méthodes sont dites empiriques ou semi-empiriques car elles utilisent des paramètres empiriques supplémentaires.
Les approches ab initio et semi-empiriques impliquent des approximations.

Celles-ci vont des formes simplifiées des équations aux premiers principes plus faciles ou plus rapides à résoudre, aux approximations limitant la taille du système (par exemple, les conditions aux limites périodiques), aux approximations fondamentales des équations sous-jacentes nécessaires à la réalisation de tout objectif. solution à eux du tout.

Par exemple, la plupart ab initio calculs font le Born-Oppenheimer approximation, ce qui simplifie considérablement la sous - tend l’équation de Schrödinger en supposant que les noyaux restent en place pendant le calcul. En principe, les méthodes ab initio convergent finalement vers la solution exacte des équations sous-jacentes à mesure que le nombre d'approximations est réduit. En pratique, cependant, il est impossible d'éliminer toutes les approximations, et une erreur résiduelle subsiste inévitablement. Le but de la chimie informatique est de minimiser cette erreur résiduelle tout en maintenant les calculs réalisables.

Dans certains cas, les détails de la structure électronique sont moins importants que le comportement à long terme des molécules dans l’espace phase . C'est le cas dans les études de conformation relatives aux protéines et aux protéines thermodynamiques de liaison protéine-ligand . Les approximations classiques de la surface d'énergie potentielle sont utilisées, car elles sont moins intensives en calcul que les calculs électroniques, pour permettre des simulations plus longues de la dynamique moléculaire . En outre, la calcul informatique utilise des méthodes encore plus empiriques (et moins onéreuses en termes de calcul), telles que l’apprentissage automatique basé sur des propriétés physicochimiques. Un problème typique des méthodes informatiques est de prédire l’affinité de liaison des molécules dru g à une cible donnée.