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MODÉLISATION MOLÉCULAIRE: Faciliter la transformation de l'industrie de la bioraffinerie par la chimie verte

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Liaison hydrogène entre l’acide gallique et l'oxyde polyéthylènique (PEO), démontrée par une orbitale moléculaire (Courtoisie de Roger Gaudreault, PhD)
Contexte

Dans mon dernier blogue, j'ai insisté sur le fait que les principes de la chimie verte offrent des façons pratiques et vérifiables de mener des stratégies d'innovation et d'accélérer la transformation dans l'industrie des pâtes et papiers (P&P). Aujourd'hui, j'insisterai sur la technologie facilitant le développement et l'implantation de biomolécules, biomatériaux et de bioproduits provenant du bioraffinage au moyen de la modélisation moléculaire (MM).

Depuis 1960, la montée de la puissance de l'informatique (nombre de processeurs et capacité, vitesse et visualisation) a permis une croissance exponentielle des méthodes de modélisation moléculaires classiques et quantiques, améliorant du même coup notre compréhension des processus fondamentaux.

Comprendre la modélisation moléculaire

La modélisation moléculaire englobe toutes les méthodes théoriques et de calcul utilisées pour modéliser ou imiter le comportement des molécules. La MM a vu le jour au début des années 1960, quoique les mathématiques sous-jacentes prennent leur origine beaucoup plus tôt.

Le dénominateur commun de toutes les méthodes de MM est la connaissance reliée au niveau atomique. Celles-ci s'expriment de plusieurs façons telles que la mécanique moléculaire, méthode semi-empirique, la théorie de la densité fonctionnelle (TDF), la dynamique moléculaire (DM), ab-initio, ainsi que les méthodes d'échantillonnage telle que la réplique d'échange de dynamique moléculaire (REDM). La sélection d'une méthode dépend de ce qui est désiré : une réponse rapide provenant de méthodes classiques (ex : mécanique moléculaire) ou une réponse à haut degré d'exactitude mais nécessitant beaucoup plus de temps comme les calculs quantiques (ab initio) pour les petits systèmes moléculaires.

Le Dr. Karen Stack de l'Université de Tasmanie est une pionnière de la modélisation moléculaire dans le domaine des pâtes et papiers. Ses premiers travaux sur les interactions entre l'oxyde polyéthylènique (PEO) et la résine phénol-formaldéhyde constituent une référence 1. Avec l'entrée dans le nouveau millénaire, un effort concerté était nécessaire pour élargir le transfert de cette technologie (MM) dans l'industrie.

Tout a commencé avec l'organisation d'une série de symposiums internationaux. Le symposium sur la modélisation fondamentale et appliquée dans les pâtes et papiers de 2005 (une première mondiale pour cette industrie), ainsi que ceux de 2008 et 2011, ont réuni des scientifiques œuvrant sur des travaux expérimentaux et théoriques, à la fine pointe de la chimie papetière. Leurs objectifs étaient de promouvoir l'usage de la modélisation moléculaire et classique à travers l'industrie, et de mettre au point des systèmes moléculaires efficaces, dans le but de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents. Papetiers, fournisseurs et académiciens ont participé à ces symposiums, supportés par PAPTAC et dont le contenu était révisé par des pairs. On y a constaté que les travaux théoriques et expérimentaux des scientifiques prouvent que la modélisation est un outil fiable, prédictif et puissant pour résoudre des problèmes concrets de fabrication du papier (Figure 1).


Figure 1 : à gauche, le Symposium 2005 sur les principes fondamentaux et appliqués de modélisation dans les pâtes et papiers, une première mondiale dans l'industrie. A droite : le Symposium de 2008 a réuni des scientifiques œuvrant sur des travaux expérimentaux et théoriques à la fine pointe de la chimie de la fabrication du papier.

Réciprocité entre les travaux théoriques et expérimentaux

Un bon exemple d'expérimentation et, subséquemment de succès théoriques est la découverte de nanotubes de polystyrène maléique anhydre (SMA), lequel est utilisé comme agent d'encollage (pour minimiser la pénétration de l'encre et améliorer la qualité de la feuille de papier imprimée). La modification dans la grosseur de particules de SMA en fonction du pH de l'eau fut pour la première fois observée par Garnier et al2 à l'Université McGill, et ce en 2000.

Par la suite, le professeur Malardier-Jugroot du Collège mlitaire royal du Canada a utilisé la modélisation moléculaire (méthode in-silico) dans le but de prouver l'existence de nanotubes SMA dans un milieu au pH neutre 3. Aujourd'hui, la découverte du professeur Malardier-Jugroot a évolué. Des drogues ont été introduites dans les nanotubes de SMA et subséquemment relâchées lors de la rencontre de cellules cancéreuses, lesquelles sont hautement acides. Ce phénomène est le produit d'une dissociation systématique des nanotubes de SMA lorsqu'exposés à des conditions de forte acidité et de forte alcalinité.

Il est également intéressant de noter que, pendant mon doctorat, la moitié de mes collègues ont commencé avec des résultats expérimentaux subséquemment reproduits par la MM, alors que l'autre moitié ont effectué des découvertes théoriques (in-silico), qui furent par la suite démontrées de façon expérimentale. Il est certain que la MM peut être utilisée pour expliquer les mécanismes sous-jacents et créer de nouveaux modèles moléculaires et matériels, lesquels doivent ensuite être validés par des preuves expérimentales.

Étude de cas : modélisation moléculaire de la chimie verte

En 2003, pendant mes travaux de doctorat, la modélisation moléculaire de systèmes aqueux (PEO)6/TGG/(H2O)906 ont pris cinq semaines à converger après 75 picosecondes (ps) en temps moléculaire, en utilisant un seul ordinateur (processeur). 4 Moins de 15 ans plus tard, avec mes collègues de l'Université de Montréal, Professeur Normand Mousseau et Vincent Binette, nous étudions de plus grands systèmes moléculaires dans le cadre de recherches sur l'Alzheimer (protéine beta-amyloïde, ligand naturel et eau). Parcourant plus de 30 fois 900 ns (27 µs en temps moléculaire total), ces systèmes de 67 000 atomes prennent 2,5 mois à converger, et ce en utilisant 360 processeurs sur un super ordinateur dernier cri.

Cet exemple démontre bien l'évolution remarquable de la modélisation moléculaire, et son potentiel pour pousser l'industrie du bioraffinage à développer de nouveaux champs d'application.

Bénéfices de la MM en bioraffinage

Dans le cadre de la transformation de l'industrie de la bioraffinerie par la chimie verte (biomolécules, biomatériaux et bioproduits), la MM peut accélérer le développement et l'implantation d'une multitude d'opportunités d'affaires. Les exemples les plus probants comprennent la chimie verte de la foresterie pour les industries pharmaceutiques et de la nanocellulose. Qui plus est, les scientifiques peuvent générer des données et des preuves expérimentales en laboratoire pendant que les calculs de la modélisation moléculaire sont effectués!

Conclusion

Plus que jamais, le pouvoir de l'informatique transforme notre compréhension de ce monde, de l'échelle atomique (ex : détails des interactions chimiques entre les molécules) à celle plus large de l'univers (ex : formation de galaxies). Sans l'ombre d'un doute, la modélisation moléculaire et classique va continuer d'engendrer des découvertes prolifiques et faciliter l'implantation d'innovations durables permettant un avenir plus vert pour l'industrie du bioraffinage.


1 Colloids Surf., 1991, 61, 205-218.
2 Association in Solution and Adsorption at an Air-Water Interface of Alternating Copolymers of Maleic Anhydride and Styrene, Langmuir 2000,16(8),3757.
3 2005, J. Phys. Chem. B2005,109,7022-7032.
4 Molecular Simulation, 32,1,2006,17–27.


Roger Gaudreault, docteur en chimie, est détenteur d'un baccalauréat en chimie de l'Université du Québec à Chicoutimi (1986), d'une maîtrise en pâtes et papiers de l'Université du Québec à Trois-Rivières (1991), ainsi que d'un doctorat en simulation moléculaire de l'Université McGill (2003), et des études postdoctorales sous la codirection du professeur David Weitz de l'Université Harvard et du professeur Theo van de Ven de l'Université McGill (2005-2006). Depuis 2017, chercheur invité à l'Université de Montréal, il étudie l'impact de la chimie verte sur l'atténuation de la maladie d'Alzheimer.

Membre affilié au Centre en chimie verte et catalyse (CCVC) depuis juin 2011, Mr Gaudreault s'est vu décerné le prestigieux Prix canadien de la chimie verte et de l'ingénierie en 2016 (CGCEN), reconnaissant ses contributions significatives pour l'avancement dans ces domaines. Mr. Gaudreault a également été nommé « PAPTAC Fellow » en 2017 en reconnaissance de sa contribution exceptionnelle à long terme et significative à l'Association, à l'industrie des pâtes et papiers et des produits forestiers et à l'avancement de la science et de la technologie.
Mr. Gaudreault cumule plus de 30 années d'expérience au sein de l'industrie des pâtes et papiers ainsi que dans le traitement d'eau industriel et de l'énergie verte. Depuis 2018, il est membre associé du Centre québécois sur les matériaux fonctionnels (CQMF), et consultant pour un groupe de biomatériaux industriels où il développe des bioproduits à partir de bioraffinerie. Il a été vice-président R&D et Innovation chez TGWT Clean Technologies Inc (2013-2017). M. Gaudreault a également dirigé le centre de R&D de Cascades pendant 20 ans, où il a été l'instigateur de deux Consortium R&D nord-américains, et a dirigé l'équipe de développement de la stratégie d'innovation de Cascades et sa mise en œuvre.

Il fut co-président du programme technique de la conférence annuelle de l'industrie des pâtes et papiers du Canada (PaperWeek Canada 2013), président de la Journée FIBRE et du Forum de Commercialisation FIBRE (PaperWeek Canada 2013-2016), membre du conseil d'administration de l'Association pour le développement de la recherche et de l'innovation du Québec (ADRIQ) (2011-2017), et éditeur-invité de la revue scientifique phare de PAPTAC, J -FOR, pour un numéro spécial en l'honneur du professeur Theo van de Ven de McGill. Il est également membre du Comité de sélection pour les Prix Synergie pour l'innovation du CRSNG.

Durant les dernières années, M. Gaudreault a présenté de nombreuses conférences scientifiques ainsi que sur l'innovation durable à des groupes d'industriels, de gestionnaires et d'universitaires, à des organisations et associations tels les Entretiens Jacques-Cartier, le Conference Board of Canada et le Comité sénatorial permanent de l'agriculture et des forêts.


Dr. Roger Gaudreault
Chercheur invité,
Université de Montréal
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