Une chimiste et ses enfants

Cette année, Renana Gershoni-Poranne a reçu la bourse Branco Weiss. Le chimiste de l'ETH Zurich utilisera la subvention de recherche pour concevoir des composés innovants qui pourront être utilisés dans les générations futures d'appareils électroniques.
Renana Gershoni-Poranne présente un modèle de carbone. (Photo : Peter Rüegg / ETH Zurich)

Le bureau de Renana Gershoni-Poranne est très spacieux et bien rangé, mais aussi très personnel. Sur le mur près de son bureau sont accrochés des dessins faits pour elle par ses garçons, âgés de cinq et neuf ans. L'un d'eux est dans le style de Picasso, tandis que l'autre est une copie charmante des tournesols de van Gogh. À côté d'eux se trouve une empreinte colorée de son plus jeune fils. «J'adore mon bureau», dit la chimiste de 35 ans. Elle s'assoit derrière son grand bureau d'angle et continue à discuter des nombreuses cartes d'anniversaire et de vacances de ses collègues qui sont affichées sur une étagère de l'autre côté de la pièce. Renana Gershoni-Poranne parle si vite qu'il est difficile de lui couper la parole pour poser une question.

La spécialiste en chimie organique physique est l'une des six chercheurs qui ont reçu une bourse de recherche Branco Weiss cet été. Le financement de la recherche, d'un demi-million de francs suisses, permet aux jeunes chercheurs d'entreprendre des projets ambitieux et exceptionnels et de travailler sur les thèmes qu'ils considèrent comme les plus importants. Le projet de Renana Gershoni-Poranne est également impressionnant: elle veut concevoir de nouveaux composés organiques afin d'équiper les appareils électroniques de fonctionnalités améliorées.

Le meilleur composé parmi 1063 alternatives

La plupart des circuits et dispositifs électroniques modernes sont à base de silicium. Cependant, ce demi-métal inorganique présente des limites pour les développeurs en ce qui concerne l'efficacité des dispositifs et la conception des composants. En revanche, l'électronique fabriquée à partir de polymères organiques conducteurs offre plus de potentiel, car sa construction peut être extrêmement mince, flexible et transparente. «Ces matériaux nous permettent de produire des appareils capables d'accomplir des tâches beaucoup plus sophistiquées qu'aujourd'hui», explique Renana Gershoni-Poranne. Par exemple, des écrans placés dans des vitrines qui sont encore assez transparents pour laisser passer la lumière. Ou des vitres qui absorbent la lumière pendant la journée et l'émettent à nouveau la nuit, agissant comme une lampe d'intérieur. Ou des panneaux solaires de grande surface enroulés sur des rouleaux pour être plus faciles à transporter que les cellules solaires actuelles en silicium. De plus, certains composants organiques sont biocompatibles et pourraient être utilisés comme biocapteurs qui s'intègrent au corps humain. Les composants organiques peuvent également être biodégradables et ont donc un impact plus positif sur l'environnement.

Les premiers produits utilisant l'électronique organique - comme les écrans pliables - sont déjà disponibles. Et pourtant: «Il y a encore tant de composés chimiques potentiels que nous n'avons pas encore découverts et dont les propriétés pourraient être extrêmement utiles», dit Renana Gershoni-Poranne. Si l'on considère même un nombre limité d'éléments organiques, tels que le carbone, l'oxygène, l'azote et le chlore - et comment ils peuvent être combinés en petites molécules - un nombre inimaginable de composés est théoriquement possible : certaines estimations disent 1063 au total, ou pour le dire autrement, un chiffre suivi de 63 zéros. «Si nous ne fabriquions que 10 milligrammes de chaque composé potentiel, il faudrait encore plus d'atomes qu'il n'en existe dans l'univers entier», explique Renana Gershoni-Poranne, en donnant une certaine perspective, et note qu'il ne s'agit encore que d'une portion d'espace chimique. Certains, sinon la plupart, des composés qu'elle cherche à étudier et à concevoir ne sont même pas inclus dans cette estimation.

Cela signifie qu'elle effectue ses recherches sur ordinateur, plutôt qu'en laboratoire de chimie, et qu'elle utilise des techniques informatiques pour caractériser et analyser le comportement des composés aromatiques. Les molécules de cette classe de matériaux ont une composante cyclique avec une distribution spéciale d'électrons de chaque atome individuel qui se chevauchent. Il existe différents types de structures cycliques de ce type, et les composés qui les contiennent jouissent d'une stabilité spéciale et ont le potentiel de conduire un courant électrique. C'est pourquoi l'électronique organique se compose principalement de molécules à base aromatique.

Conception inversée

On sait peu de choses sur les caractéristiques structurales des composés aromatiques qui fournissent telle ou telle fonctionnalité. C'est précisément ce que Renana Gershoni-Poranne veut maintenant changer. Son but est de développer un système de «inverse design» des molécules aromatiques. Cette approche consiste à prendre une décision initiale sur les propriétés souhaitées d'une substance, puis à déterminer quelle structure chimique est nécessaire. Renana Gershoni-Poranne a déjà bien progressé ces dernières années, d'abord en tant que post-doctorante à l'ETH Zurich, puis en tant que scientifique senior pendant deux ans.

Elle se lève, fait le tour du bureau et se dirige vers le mur près de la porte où se trouvent quelques posters présentant les résultats scientifiques des dernières années, y compris ceux de ses élèves, que la chimiste appelle affectueusement ses «enfants universitaires».

Elle explique chacun des posters rapidement et de manière concise, sans oublier de mentionner ses collaborateurs sur chaque projet. Plus récemment, par exemple, elle et ses collègues ont mis au point un modèle capable de prédire les propriétés de composés aromatiques plus gros à partir de blocs de construction plus petits. De plus, elle et ses collaborateurs ont récemment révélé une relation entre la nature aromatique d'un composé et son déficit énergétique HOMO-LUMO. Cette propriété concerne l'énergie des électrons et est importante pour l'efficacité potentielle des cellules solaires faites de matériaux spécifiques, par exemple.

Renana Gershoni-Poranne tient maintenant à s'appuyer sur ce travail. Son objectif est de développer une base de données détaillée sur les composés aromatiques qui combinent la structure des molécules et leurs propriétés. L'étape suivante consistera à utiliser cette base de données pour former des algorithmes spéciaux de deep learning, appelés modèles génératifs. Ceux-ci génèrent à leur tour des composés chimiques entièrement nouveaux avec des propriétés spécifiques prédéfinies. «J'ai réfléchi à ce projet et je l'ai planifié depuis environ un an», explique la chimiste. La subvention de recherche de la bourse Branco Weiss lui a permis d'embaucher une doctorante et de lancer le projet.

Se démarquer de différentes façons

Étant donné que Renana Gershoni-Poranne semble être dans son élément lorsqu'elle fait de la recherche, il est difficile d'imaginer qu'elle a déjà envisagé une carrière totalement différente en musique, comme soprano. «Mais seulement quelques secondes», dit-elle en riant. Pendant son service militaire, elle a été chanteuse avec l'Orchestre des Forces de défense israéliennes, dit-elle, et a donné de nombreux concerts.  Plus tard, elle a chanté l'air de la Reine de la Nuit de la Flûte enchantée de Mozart lors de cérémonies de remise des doctorats honoris causa. Mais il est vite devenu clair pour la double citoyenne israélo-américaine que sans la science, il lui manquerait quelque chose dans sa vie. «À l'époque, je sentais que je n'utilisais pas une partie de mon cerveau, et ce n'était pas une bonne chose pour moi.» Depuis, le chant occupe toujours une place importante dans sa vie et elle donne régulièrement des cours de chant et se produit à l'occasion.

Renana Gershoni-Poranne est également impliquée dans WiNS, un réseau consacré à l'augmentation de la représentation des femmes dans les science. WiNS organise des ateliers et des séminaires qui se concentrent sur les stéréotypes de genre ou donnent des conseils sur les facteurs de réussite des femmes dans les carrières scientifiques. «S'engager dans ce domaine est important pour moi, dit.elle, car je crois qu'il est encore plus difficile pour les femmes que pour les hommes de faire carrière dans la recherche et il y a encore beaucoup trop peu de femmes professeurs.»

Il n'a pas non plus été facile pour Renana Gershoni-Poranne de combiner la recherche scientifique avec sa vie familiale. «Quand j'étais en post-doctorat, un collègue m'a dit un jour que je me démarquais parce que j'étais le seul à avoir des enfants.» Mais fonder une famille tout en continuant ses recherches n'était rien d'inhabituel en Israël, parce que tout le monde - hommes et femmes - doit de toute manière accomplir deux à trois ans de service militaire, repoussant de fait l'âge de l'obtention du doctorat. 

Lorsqu'elle a commencé à l'ETH Zurich, elle s'est sentie gênée de partir parfois à 16 heures pour aller chercher ses enfants à la crèche. Elle et son mari, également chercheur à l'ETH Zurich, se relaient pour s'occuper des enfants. «Quand il s'occupe des enfants, je peux parfois travailler jusqu'à 22 ou 23 h et le week-end.» A la question de savoir si ce rythme est fatiguant, la chimiste confirme. Mais elle n'aurait pas fait autrement. Et elle pense aussi qu'il est bon qu'elle puisse servir de modèle à ses deux garçons pour montrer qu'une carrière scientifique n'est pas seulement l'apanage des hommes et qu'elle est heureuse que son mari et elle puissent donner à leurs enfants un modèle de double carrière.

Références et références

Finkelstein P, Gershoni-Poranne R. An Additivity Scheme for Aromaticity : L'affaire des hétéroatomes. ChemPhysChem (2019). doi : 10.1002/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. Physico-chimie Chimie Chimie Physique (2018). doi : 10.1039/C8CP02162G