Générer des structures de benzénoïdes grâce à l’intelligence artificielle

Les benzénoïdes sont une sous-famille d’hydrocarbures (molécules composées uniquement d’atomes d’hydrogène et de carbone) dont les atomes de carbone forment des hexagones. Les propriétés électroniques de ces molécules notamment la conductivité et le magnétisme laissent à penser qu’elles pourraient être utilisées en nanoélectronique, cependant leur synthèse est complexe. Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs de l’Institut des sciences moléculaires de Marseille et du Laboratoire d’informatique et systèmes (CNRS/ Aix-Marseille Université) a développé une application qui permet, quel que soit le nombre de cycles, de générer toutes les structures associées à une propriété recherchée. La recherche : « BenzAI: Un programme pour concevoir des benzénoïdes avec des propriétés définies à l’aide de la programmation par contraintes » a été publiée par le « Journal of Chemical Information and Modeling ».

Les benzénoïdes font partie de la famille des HAP (hydrocarbures polycycliques aromatiques). Les HAP sont des hydrocarbures dont les atomes de carbone forment des cycles de différentes tailles. Ils sont le sujet de nombreuses études dans différents domaines (synthèse organique, nanoélectronique moléculaire, chimie interstellaire…) du fait de leur stabilité énergétique, de leurs structures moléculaires ou de leurs spectres optiques. Leurs propriétés physico-chimiques dépendent de leur taille et de leur structure.

Ainsi, les propriétés électroniques des benzénoïdes, molécules formées de cycles de carbone hexagonaux fusionnés en structure de nids d’abeilles, dépendent de la manière dont ces hexagones sont arrangés dans la structure. Pouvoir prédire les propriétés électroniques en fonction de l’agencement que peuvent prendre les hexagones permettrait au chimiste d’orienter ses synthèses vers des systèmes pertinents.

Il faut donc générer tous les arrangements possibles des N hexagones qui le constituent et prédire les propriétés de chacun d’eux pour ne retenir que les systèmes pertinents en nanoélectronique, et ceci pour chaque famille de benzénoïdes. Si la tâche est simple lorsque N est petit (3 solutions pour N=3), à partir de N=7, un traitement par ordinateur devient indispensable.

Le logiciel BenzAI

Yannick Carissan et Denis Haguebaum-Reignier de l’Institut des Sciences Moléculaires de Marseille ainsi que Nicolas Prcovic, Cyril Terrioux et Adrien Varet du LIS, Laboratoire d’Informatique et Systèmes (CNRS/ Aix-Marseille Université) sont les chercheurs de l’équipe. Ils ont développé BenzAI, un logiciel de calcul libre et gratuit, qui permet de :

  • générer des structures benzénoïdes sur la base de plusieurs critères (nombre d’hexagones/atomes de carbone/atomes d’hydrogène, propriétés structurales, présence ou absence d’un ou plusieurs motifs, etc.),
  • analyser leur structure électronique,
  • fournir des spectres infrarouges stockés dans une base de données externe.

BenzAI permettra ainsi de trier les molécules d’intérêt qui possèderont des propriétés recherchées une fois insérées dans des dispositifs.

Cette approche basée sur la PPC (Programmation Par Contraintes) va permettre aux chimistes de synthèse de concentrer leurs efforts sur des systèmes pertinents comme les aimants moléculaires pressentis pour le stockage de l’information.

Lien pour télécharger BenzAI, logiciel libre et gratuit :

https://benzai-team.github.io/BenzAI/

Sources de l’article :

Adrien Varet, Nicolas Prcovic, Cyril Terrioux, Denis Hagebaum-Reignier et Yannick Carissan
BenzAI: A Program to Design Benzenoids With Defined Properties Using Constraint Programming
Journal of Chemical Information and Modeling

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