Une chimiste et ses enfants
Renana Gershoni-Poranne a reçu cette année une bourse d'études Branco-Weiss. La chimiste veut utiliser l'argent de la recherche pour créer des composés organiques jusqu'ici inconnus afin de rendre possible un nouveau type d'appareils électroniques.
Le bureau de Renana Gershoni-Poranne est très spacieux, très bien rangé et très personnel. Sur le mur à côté de son bureau sont accrochés des dessins que ses deux garçons, âgés de cinq et neuf ans, ont réalisés pour elle. L'un d'eux ressemble à une œuvre de Picasso, un autre est sans doute une charmante reproduction des Tournesols de Van Gogh. Et puis, il y a encore une empreinte de pied colorée du cadet de Gershoni. "J'aime mon bureau", dit la chimiste de 35 ans, en s'asseyant derrière son grand bureau d'angle et en parlant aussitôt des nombreuses cartes de vœux qu'elle a reçues de ses collègues et qu'elle a placées sur une étagère de l'autre côté de la pièce. Gershoni-Poranne parle si vite qu'on ose à peine l'interrompre.
Cette spécialiste de la chimie physico-organique est l'une des six chercheuses et chercheurs qui ont reçu cet été une bourse Branco Weiss. Dotée d'un demi-million de francs, cette bourse donne aux jeunes collaborateurs la possibilité de se lancer dans des projets d'envergure et hors du commun - et de travailler sur les thèmes qu'ils jugent les plus importants. Gershoni-Poranne a elle aussi de grands projets : Elle veut développer des composés organiques jusqu'ici inconnus, qui permettront à l'avenir de créer des appareils électroniques aux propriétés améliorées et encore inimaginables aujourd'hui.
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La plupart des circuits et appareils électroniques sont aujourd'hui basés sur le silicium. Mais avec ce semi-métal inorganique, les développeurs se heurtent rapidement aux limites de l'efficacité des appareils et de la conception des composants. En revanche, l'électronique à base de polymères organiques conducteurs d'électricité recèle un plus grand potentiel, car elle peut être fabriquée de manière extrêmement fine, flexible et transparente.
"On peut ainsi imaginer des appareils qui assument des tâches beaucoup plus raffinées qu'aujourd'hui", explique Gershoni-Poranne. Par exemple, des écrans sur les vitres des fenêtres qui, en raison de leur transparence, laissent tout de même passer la lumière. Ou des vitres qui absorbent la lumière pendant la journée pour la restituer la nuit et éclairer une pièce comme une lampe. Ou encore des films photovoltaïques de grande surface qui, enroulés sur des rouleaux, seraient beaucoup plus faciles à transporter que les cellules solaires actuelles en silicium. En outre, certains composants organiques sont biocompatibles et pourraient être portés à l'intérieur du corps en tant que biocapteurs. Les composants organiques sont en outre biodégradables et présentent donc un bilan environnemental plus favorable.
Aujourd'hui déjà, il existe des premiers produits avec de l'électronique organique, par exemple des écrans flexibles. Mais : "Il y a encore tellement de composés chimiques possibles que nous ne connaissons pas et dont les propriétés pourraient être extrêmement utiles", dit Gershoni-Poranne. Si l'on considère ne serait-ce qu'un nombre limité d'éléments organiques - comme le carbone, l'oxygène, l'azote ou le chlore - et la manière dont ils pourraient être combinés dans de petites molécules, un nombre inimaginable de composés est possible en théorie : à savoir, une estimation de 10.63 Liens, soit un 1 suivi de 63 zéros.
"Si l'on produisait seulement 10 milligrammes de chacun de ces composés possibles, il faudrait pour cela plus d'atomes qu'il n'y en a dans l'univers", illustre Gershoni-Poranne à propos de ce chiffre énorme. Et de faire remarquer que cela ne représente qu'une petite partie de la chimisphère, c'est-à-dire de l'ensemble des molécules qui peuvent exister ou être fabriquées. Certains, voire la plupart, des composés qu'elle souhaite étudier et développer ne sont même pas inclus dans cette estimation.
Ses recherches ne se déroulent donc pas dans un laboratoire de chimie, mais dans un ordinateur. A l'aide de modèles mathématiques, elle analyse et décrit le comportement des composés dits aromatiques. Les molécules de cette classe de substances ont un composant cyclique avec une répartition spéciale et chevauchante des électrons des différents atomes. Il existe différents types de structures aromatiques cycliques. Les composés qui en contiennent sont particulièrement stables et peuvent conduire le courant électrique. C'est pourquoi l'électronique organique est principalement constituée de molécules basées sur des composés aromatiques.
Conception inversée
On sait encore peu de choses sur les caractéristiques structurelles qui génèrent telle ou telle propriété dans les composés aromatiques. C'est précisément ce que Gershoni-Poranne veut changer. Elle veut mettre en place un système de "design inverse" pour les molécules aromatiques. La conception inverse signifie que l'on décide d'abord quelles propriétés on souhaite voir apparaître dans une substance et que l'on détermine ensuite quelle structure chimique est nécessaire pour cela. Gershoni-Poranne a déjà fait de premières découvertes au cours des dernières années, d'abord en tant que post-doctorante à l'ETH et depuis deux ans en tant que maître-assistante.
Elle se lève, fait le tour du bureau et se dirige vers le mur à côté de la porte du bureau, où sont accrochés quelques posters présentant les derniers résultats scientifiques, y compris ceux de ses étudiants. La chimiste les appelle affectueusement ses "enfants académiques".
Elle explique chaque poster de manière brève et rapide et n'oublie pas de mentionner pour chaque projet avec qui elle a collaboré. Ainsi, elle a récemment développé avec un collègue un modèle permettant de prédire les propriétés de grands composés aromatiques sur la base de blocs de construction plus petits. En outre, elle et ses collègues ont récemment découvert un lien entre la structure aromatique d'un composé et sa différence d'énergie HOMO-LUMO. Cette propriété est liée à l'énergie des électrons et détermine par exemple l'efficacité des cellules solaires fabriquées dans un matériau donné.
C'est sur ce travail que Gershoni-Poranne veut maintenant s'appuyer. Son objectif est de développer une base de données détaillée pour les composés aromatiques, qui relie la structure des molécules à leurs propriétés. Dans un deuxième temps, elle veut utiliser cette base de données pour l'entraînement d'algorithmes de deep learning, appelés modèles génératifs. Ceux-ci doivent générer à partir de là des composés chimiques entièrement nouveaux - avec des propriétés spécifiques préalablement définies. "Je planifie ce projet depuis environ un an", raconte la chimiste. Maintenant, grâce aux fonds de recherche de la bourse Branco-Weiss, elle a pu engager une doctorante et s'attaquer avec elle au projet.
Tantôt reine de la nuit, tantôt licorne
Difficile d'imaginer que Gershoni-Poranne, qui semble tellement dans son élément dans ses recherches, ait un jour envisagé une toute autre carrière, celle de chanteuse soprano. "Mais seulement pendant environ trois secondes", s'exclame-t-elle en riant. Pendant son service militaire, elle a chanté dans l'orchestre des forces armées israéliennes, le IDF Orchestra, raconte-t-elle, elle s'est beaucoup produite. Et elle était bonne : par exemple, elle a ensuite chanté l'aria de la Reine de la nuit de La Flûte enchantée de Mozart lors de cérémonies de remise de diplômes honorifiques. Mais la double nationalité israélo-américaine a vite compris que sans la science, il lui manquerait quelque chose. "Une partie de mon cerveau était alors au chômage, ce qui n'était pas bon pour moi". En attendant, le chant occupe toujours une place importante dans sa vie, elle continue à prendre régulièrement des cours de chant et à se produire occasionnellement.
Parallèlement, Gershoni-Poranne s'engage auprès de "WiNS", un réseau de femmes dont le but est de promouvoir les femmes dans les sciences naturelles. WiNS organise par exemple des podiums et des séminaires qui abordent les stéréotypes de genre ou transmettent les facteurs de réussite des femmes dans les carrières scientifiques. "Être active ici est important pour moi", dit Gershoni-Poranne, "car je suis convaincue qu'il est encore plus difficile pour les femmes que pour les hommes de faire carrière dans la recherche et qu'il y a encore beaucoup trop peu de professeures".
Pour elle aussi, il n'est pas facile de concilier recherche et famille. "Lorsque j'étais post-doctorante, une collègue m'a dit un jour que j'étais la licorne ici, parce que j'étais la seule à avoir déjà eu des enfants". En Israël, en revanche, il n'y a rien d'exceptionnel à fonder une famille alors que l'on est encore doctorant. En effet, là-bas, les scientifiques font leur doctorat plus tard, car tous, hommes et femmes, doivent auparavant effectuer deux à trois ans de service militaire.
Mais c'est justement au début de ses années à l'ETH qu'elle se serait sentie en insécurité, lorsqu'elle partait parfois à quatre heures de l'après-midi pour aller chercher ses enfants à la crèche. Elle et son mari, qui fait également de la recherche à l'ETH, s'en chargent à tour de rôle. "Les jours où il est là, je peux bien travailler jusqu'à dix ou onze heures du soir et le week-end", cela semble épuisant. "Oui, ça l'est", confirme Gershoni-Poranne. Pourtant, elle ne voudrait pas qu'il en soit autrement. Et, la chercheuse le souligne, elle trouve bien de pouvoir montrer à ses deux garçons qu'une carrière scientifique n'est pas réservée aux hommes - et qu'elle et son mari servent d'exemple à leurs enfants pour leur montrer comment deux carrières peuvent devenir possibles. Écoutez également le Podcast de l'ETH avec les deux.
Référence bibliographique
Finkelstein P, Gershoni-Poranne R. An Additivity Scheme for Aromaticity : The Heteroatom Case. ChemPhysChem (2019). doi : page externe10.1002/cphc.201900128
Gershoni-Poranne R, Rahalkar A, Stanger A. The predictive power of aromaticity : quantitative correlation between aromaticity and ionization potentials and HOMO-LUMO gaps in oligomers of benzene, pyrrole, furan, and thiophene. Physical Chemistry Chemical Physics (2018). doi : page externe10.1039/C8CP02162G
Branco Weiss Lecture 2019 "Qu'est-ce qui est humain ?"
Lors de la deuxième Branco Weiss Lecture, quatre fellows - ldse Heemskerk, Marco Hutter, Tanya Latty et Anna-Sophia Wahl - discuteront de sujets allant des embryons humains artificiels à l'intelligence artificielle en passant par l'étonnante intelligence collective des insectes sociaux. Les scientifiques discuteront ensuite du sujet, sous la modération de Detlef Günther, Vice-président pour la recherche et les relations économiques de l'ETH Zurich.
Lundi 25 novembre 2019, 17h15-18h45 ; amphithéâtre F3, bâtiment principal, ETH Zurich. page externePlus d'informations