Un réseau de neurones apprend à lire les molécules grâce à l'empreinte du carbone express
Chaque atome de carbone dans une molécule porte un passeport : l'énergie avec laquelle ses électrons les plus profonds restent sur leurs orbites. Cette énergie réagit finement à l'environnement : qu'un oxygène ou une double liaison apparaisse à proximité, et le chiffre du passeport change. Les chimistes mesurent ces énergies depuis longtemps grâce aux rayons X, mais le calcul pour chaque nouvelle molécule prend des heures de temps machine.
Le nouveau modèle fonctionne comme un archiviste expérimenté qui, à partir d'une seule photo d'un bâtiment, détermine instantanément la solidité des fondations. Il ne voit pas la molécule comme un amas de boules, mais comme un graphe : un réseau où les atomes sont des nœuds et les liaisons des arêtes. Le réseau de neurones a été entraîné sur 8637 centres de carbone dans 2116 molécules de 4 à 16 atomes, en utilisant les données de la théorie de la fonctionnelle de la densité multiconfigurationnelle (une méthode quantique de calcul complexe). Lors des tests sur 570 mesures réelles dans 113 molécules — certaines atteignant 45 atomes — l'erreur moyenne était de 0,33 électron-volt. C'est environ un centième de l'énergie de la lumière visible.
La particularité du modèle réside dans des caractéristiques de nœuds chimiquement pertinentes, qui réduisent la dépendance à la profondeur de propagation des messages dans le graphe. En termes simples, le réseau de neurones n'a pas besoin de « redemander » plusieurs fois aux voisins éloignés pour comprendre l'environnement d'un atome. C'est comme si vous déterminiez l'humeur d'une personne non pas à partir de toute la chaîne de ses conversations, mais à partir de quelques mots clés.
Le modèle est également robuste aux géométries déformées — celles qui apparaissent lors des vibrations thermiques ou aux premiers stades d'une réaction chimique. Il a été testé sur les tautomères de l'avobenzone (45 atomes) — des molécules qui changent la position d'un atome d'hydrogène et sont liées à la protection contre les ultraviolets. Le réseau de neurones a instantanément distingué les formes et a produit des énergies en accord avec l'expérience. Cela ouvre la voie à un criblage rapide de médicaments et de matériaux.
Et voici ce qui est curieux : le passeport du carbone change de plusieurs électron-volts selon les voisins — cela suffit pour distinguer le graphite du diamant par le seul spectre de rayons X.
L'énergie des électrons de cœur du carbone varie de plusieurs électron-volts selon les voisins — cela suffit pour distinguer le graphite du diamant par le seul spectre de rayons X.