Le Jour de la Terre était le 22 avril, et son message habituel – prenez soin de notre planète – a reçu une urgence supplémentaire en raison des défis mis en évidence dans le dernier rapport du GIEC. Cette année, Ars se penche sur les technologies que nous couvrons normalement, des voitures à la fabrication de puces, et découvre comment nous pouvons renforcer leur durabilité et minimiser leur impact sur le climat.
D’innombrables choses que nous utilisons dans les sociétés modernes, de la nourriture aux contenants alimentaires, dépendent de la chimie à l’échelle industrielle. Cette chimie produit souvent des matériaux qui ne nous sont pas utiles et, dans certains cas, ils sont dangereux ou toxiques. Non seulement ces matériaux sont un gaspillage, mais payer pour les éliminer en toute sécurité peut augmenter les coûts des matériaux.
Les premiers développements de la chimie verte se sont principalement concentrés sur la recherche de voies de réaction limitant la production de sous-produits indésirables et l’utilisation de solvants toxiques. Mais les chercheurs vont au-delà de cela, essayant de trouver des moyens de mieux intégrer la chimie dans une économie circulaire, où les matières premières sont soit durables, soit recyclées.
Dans un exemple récent, des chercheurs ont développé un système logiciel qui a été programmé avec une liste de réactions chimiques viables connues et un ensemble de contraintes qui limitent l’utilisation de produits chimiques toxiques et la chaleur ou le froid extrême. Alimenté d’une liste de déchets chimiques courants, il a trouvé des voies qui les utilisaient comme matières premières pour la production de médicaments et de produits chimiques agricoles.
Concevoir l’alchimie
Ce n’est pas une faute de frappe; la plupart des auteurs de l’article travaillent pour une société appelée Allchemy, qui se concentre sur la conception assistée par ordinateur de voies chimiques. La littérature académique en chimie est remplie d’articles décrivant des réactions qui ouvrent et ferment des structures cycliques, ajoutent des groupes méthyle, éliminent des oxygènes, et bien plus encore. Le nouvel article s’appuie sur une base de données de 10 000 entrées de réactions potentielles, chaque entrée de réaction contenant des informations sur les matières premières potentielles, les conditions, les solvants, etc. Les entrées sont également générales. Plutôt que de travailler sur une molécule spécifique, les réactions sont suivies comme travaillant avec des classes entières de molécules apparentées, comme tout ce qui contient un alcool.
Peut-être le plus pertinent pour le sujet à l’étude, il existe également des données, tirées d’un large éventail d’organismes de réglementation gouvernementaux, sur le besoin de matières ou de solvants dangereux. Des alternatives plus vertes sont suggérées là où elles sont disponibles.
À l’aide de cette base de données, les chercheurs ont commencé avec un groupe de 189 produits chimiques qui sont des déchets courants de réactions industrielles. Chacune a été comparée aux réactions chimiques potentielles de la base de données pour voir quelles modifications pouvaient être effectuées. Cela a produit une deuxième génération plus importante de molécules créées par ces réactions. Les molécules ont été analysées encore et encore, créant une population toujours croissante de produits chimiques pouvant être produits, à commencer par les déchets. L’objectif était de produire un produit chimique de grande valeur, soit l’un des quelque 2 500 médicaments approuvés, soit 1 650 produits chimiques agricoles.
À lui seul, ce processus se développerait rapidement à un point où il y aurait un nombre complètement ingérable de produits chimiques à suivre. Pour que les choses restent gérables sur le plan informatique, l’équipe a passé au crible tous les produits chimiques à chaque génération et a jeté tout ce qui ne semblait pas lié à la liste cible des médicaments et des produits chimiques agricoles. Ce processus a été utilisé pour maintenir le nombre de produits chimiques dans chaque génération à environ 10 000 à 100 000.
Cette méthode a créé un vaste réseau de réactions qui ont soit atteint un produit chimique souhaité, soit produit quelque chose de très similaire à celui-ci (qui pourrait être converti avec une simple réaction supplémentaire). Pour déterminer quelles voies à travers ce réseau avaient un sens, les chercheurs ont créé un « score » pour chaque réaction potentielle. Des points ont été soustraits si une réaction impliquait un produit chimique ou un solvant toxique, impliquait des températures extrêmes ou produisait des déchets volumineux ou complexes. Un score serait boosté lorsque les réactions consécutives ne nécessitaient pas de changement de solvant. Plus un score est élevé après ce processus, plus la réaction est susceptible d’être utilisée.
Par exemple, à partir de déchets, il est possible de fabriquer l’acétaminophène analgésique dans une voie de réaction en quatre étapes. Mais cette voie impliquait l’utilisation de deux produits chimiques toxiques ; un processus en cinq étapes a évité cela et a fini par obtenir un score global plus élevé.