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Définition et synonyme de : SIMULATION, chimie

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Article publié par Encyclopaedia Universalis SIMULATION, chimie Bien avant l'avènement de la chimie, d'habiles artisans savaient contrefaire l'or, d'autres métaux nobles comme l'argent ou le platine, les pierres précieuses. Ces experts en imitations acquirent un savoir certain, tout à la fois pratique et théorique. e Au xvi siècle, Bernard Palissy (1510 env.-1589 ou 1590), observateur avisé des phénomènes naturels et l'un des pères de la science expérimentale, imite la nature par admiration de la création divine : il fabrique donc des simulacres, qu'il s'agisse des « rustiques figulines » ornant ses plats de faïence ou de grottes artificielles. ÉÉvvoolluuttiioonn ddeess ssiimmuullaattiioonnss eenn cchhiimmiiee e Au cours du xvii siècle, lorsque l'alchimie cède le pas à la chimie, la discipline toute neuve hérite de cet art des simulacres. Puis, en s'affirmant, la chimie fournit à la société de nombreuses productions artificielles, imitant la nature ou prétendant l'améliorer. Citons l'aspirine (1900), antalgique aux effets secondaires bien moindres que ceux de son modèle naturel ; la Bakélite (1907), l'une des premières matières plastiques artificielles ; les e caoutchoucs artificiels (début du xx s.) ; le Nylon (1937) et les soies artificielles que sont les autres polyamides ; l'aspartame (1965), un édulcorant de référence...
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SIMULATION, chimie

Bien avant l'avènement de la chimie, d'habiles artisans savaient contrefaire l'or, d'autres métaux nobles comme l'argent ou le platine, les pierres précieuses. Ces experts en imitations acquirent un savoir certain, tout à la fois pratique et théorique.

Au xvie siècle, Bernard Palissy (1510 env.-1589 ou 1590), observateur avisé des phénomènes naturels et l'un des pères de la science expérimentale, imite la nature par admiration de la création divine : il fabrique donc des simulacres, qu'il s'agisse des « rustiques figulines » ornant ses plats de faïence ou de grottes artificielles.

Évolution des simulations en chimie

Au cours du xviie siècle, lorsque l'alchimie cède le pas à la chimie, la discipline toute neuve hérite de cet art des simulacres. Puis, en s'affirmant, la chimie fournit à la société de nombreuses productions artificielles, imitant la nature ou prétendant l'améliorer. Citons l'aspirine (1900), antalgique aux effets secondaires bien moindres que ceux de son modèle naturel ; la Bakélite (1907), l'une des premières matières plastiques artificielles ; les caoutchoucs artificiels (début du xxe s.) ; le Nylon (1937) et les soies artificielles que sont les autres polyamides ; l'aspartame (1965), un édulcorant de référence... De façon très générale, cette activité de l'industrie chimique a doté la planète d'une véritable chimiosphère, où les formulations sont à présent légion. C'est que, en jouant avec les objets de leur activité, les chercheurs accèdent à des résultats fondamentaux.

Les modèles moléculaires, comme des maquettes agrandies, permettent de se faire une idée, par la vue et par le toucher, de ce à quoi ressemble une molécule quelconque. Leur rôle est fondamental, puisqu'ils servent de support à l'imagination. La notion d'objet moléculaire ne va pas de soi. Alors qu'une molécule, cette minuscule miette ou gouttelette de matière, aux dimensions de l'ordre de grandeur du nanomètre (10–9 m), nous est et nous reste imperceptible, un véritable acte de foi pose qu'elle ne diffère pas des objets usuels. Dès lors, on peut la doter d'une forme précise, d'une plus ou moins grande rigidité, d'une dureté ou au contraire d'une mollesse, d'une élasticité, d'une texture de surface, d'un volume propre.

Durant un bon siècle (1860-1960), ces modèles ont été faits de tiges en bois ou en métal pour simuler les liaisons entre atomes, et de boules pour représenter les atomes. À partir des années 1930, des boîtes de modules standardisés furent commercialisées. On les assemblait comme un jeu de construction pour les enfants (modèle CPK, modèle de Dreiding, etc.).

À présent, la modélisation se fait sur ordinateur, au moyen de divers logiciels. Le recours à l'informatique permet l'animation du modèle. On peut ainsi conférer aux atomes les mouvements dont, en réalité, ils sont animés (dynamique moléculaire). De la sorte, les chimistes s'essaient, par exemple, à concevoir des molécules de médicaments. Puisque ces derniers vont s'encastrer dans des récepteurs biologiques, de nature protéique, on peut espérer remonter de la connaissance de la géométrie précise de l'une de ces logettes à la définition des molécules pouvant venir s'y insérer. On fignole ensuite les contacts entre atomes se trouvant en regard, à la suite de fixations des molécules actives sur leurs sites opérationnels. Il y a là, à l'échelle nanoscopique, un labeur d'ajusteur.

Le plus souvent, une simulation s'impose parce que le système réel nous reste inaccessible. Il est trop éloigné, trop vaste, trop complexe, trop dangereux, trop onéreux... Ainsi, la simulation est au laboratoire ce que ce dernier est à la nature : un modèle réduit. Ce qui pose une question de fond : la simulation a-t-elle pour objet la constitution d'une réalité virtuelle ou bien la confrontation avec la réalité ?

Aussi, les simulacres que les chimistes d'aujourd'hui programment sur leurs ordinateurs ont pour cibles soit des processus (par exemple une réaction chimique d'intérêt industriel), afin d'explorer leur sensibilité aux paramètres qui les régissent, soit des structures, dans un très grand nombre de configurations, afin d'explorer tout l'hyperespace du concevable, indépendamment de ses actualisations concrètes dans l'espace du possible.

Simulation de l'atmosphère terrestre

Un exemple d'un système chimique sur lequel des simulations nous ont beaucoup appris est l'atmosphère terrestre. Y coexistent, avec des poussières, des molécules à l'état de gaz. On y trouve, outre l'azote et l'oxygène, de nombreuses autres composantes, qui se chiffrent en centaines, sinon en milliers d'espèces chimiques distinctes : de l'eau, du dioxyde de carbone CO2 et du monoxyde de carbone CO, du dioxyde de soufre SO2, de l'ozone, des oxydes d'azote, des acides comme l'acide chlorhydrique, des hydrocarbures tels que le méthane (issu des bactéries méthanogènes de la panse des ruminants), et toutes sortes d'émanations des activités humaines. Citons, au nombre de celles-ci, les fréons qui ont longtemps servi de fluides caloporteurs dans les réfrigérateurs et de gaz vecteurs dans les récipients sous pression pour de la crème fouettée, de la mousse à raser et d'autres cosmétiques.

Cet immense réacteur chimique, où coexistent ces nombreuses espèces moléculaires, est de surcroît soumis dans sa partie haute, la stratosphère, à un intense rayonnement solaire. Le bombardement de toutes ces molécules par la partie la plus énergétique de la lumière, les rayons ultraviolets, en démolit certaines, et en expulse tel ou tel atome. Des simulations, conduites dans les années 1970 par Sherwood Rowland et Mario Molina, montrèrent qu'un résultat net de cette irradiation permanente était la formation d'atomes de chlore, issus des molécules de fréon. Ces atomes de chlore attaquent et détruisent les molécules d'ozone. Un seul atome de chlore est capable d'anéantir ainsi, car il s'agit de réactions en chaîne, jusqu'à un millier de molécules d'ozone.

La découverte, quelques années plus tard, du trou d'ozone au-dessus de l'Antarctique dotait d'un surcroît de crédit ces simulations, jusque-là mises en doute, voire brocardées, par les industriels producteurs de fréons. Comme cette fine couche protectrice d'ozone est le garant du maintien de la vie sur Terre, la menace insidieuse fut enfin prise au sérieux. Les industries productrices des fréons, principales sources des atomes de chlore excisés par les ultraviolets solaires, décidèrent d'en interrompre la fabrication et de les remplacer par des substituts moins nocifs.

Que montre cet exemple ? Que simulation rime avec simplification n'est pas fortuit. La simulation correspond à un modèle du phénomène. Ce modèle restreint la complexité du système étudié en la ramenant à un tout petit nombre de variables et de paramètres. De la sorte, la simulation fournit, en règle générale, des résultats numériques à confronter avec les données d'observation et de mesure. Mais l'objectif n'est pas de faire coïncider à tout prix des valeurs calculées et des valeurs mesurées. Il est, bien davantage, d'acquérir une compréhension, même partielle et limitée, de quelques-uns des facteurs à l'œuvre dans la réalité. Comme l'a dit l'informaticien Richard Wesley Hamming (1915-1998), « l'objet des calculs numériques est de produire de l'intelligibilité, et pas des nombres ».

Auteur: Pierre LASZLO
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