Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les polymères représentent un grand intérêt pour les industries chimiques et des matériaux, mais le coût associé à leur mise sur le marché reste un facteur qui limite leur développement. Pourtant, l’industrie recherche des mélanges de polymères ou la synthèse de copolymères possédant des propriétés spécifiques, comme la rigidité, la dureté et la résistance à la chaleur. Les techniques de simulation moléculaire permettent à moindre frais d’effectuer les meilleurs compromis et de retenir les compositions de polymères les plus prometteurs. Les méthodes mésoscopiques, situées entre les niveaux de représentation macroscopique et atomistique, correspondent au niveau de détail associé à la morphologie, et pour cette raison répondent parfaitement à ce besoin.
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Although polymers present a considerable interest for chemical industries and materials, the cost induced by their placing on the market remains a limiting factor to their development. However, the industry is searching for mixtures of polymers or the synthesis of copolymers presenting specific properties such as stiffness, hardness and resistance to heat. Molecular simulation techniques allow to carry out the best compromises at lower cost and select the most promising compositions of polymers. Mesoscopic methods, situated between the macroscopic and atomistic levels of representation, correspond to level of detail associated to morphology and thus meet this need perfectly.
Auteur(s)
-
Armand SOLDERA : Professeur - Université de Sherbrooke (Québec)
INTRODUCTION
Les polymères représentent une classe de matériaux de grand intérêt pour les industries chimiques et des matériaux. Ils comptent en effet parmi les fabrications des industries chimiques ayant le plus large volume de production et les matériaux engendrant les plus grands profits. Peu de nouveaux polymères industriels voient toutefois le jour ; les nouveaux polymères restent principalement l'apanage de recherches académiques. Le coût associé à leur mise sur le marché est en effet un facteur limitant. Ce qui est plutôt recherché dans l'industrie est l'obtention de propriétés spécifiques en effectuant des mélanges de polymères, ou la synthèse de copolymères. Il suffit de penser à l'ABS, terpolymère intervenant dans la fabrication des premiers pneus. Ce copolymère associe la rigidité, la dureté et la résistance à la chaleur, grâce à une juste combinaison des trois monomères. Il n'en demeure pas moins qu'une forte composante expérimentale est mise à contribution pour trouver le meilleur compromis, c'est-à-dire la composition des différents polymères ou chaînons du copolymère, offrant la propriété optimale (tout en préservant les autres propriétés). Afin de pallier les problèmes de temps et de coût associés à la recherche du meilleur candidat, la simulation moléculaire est parfaitement appropriée.
Le choix de la méthode de simulation la plus appropriée à la demande d'un industriel dépend principalement du niveau de détail qu'il est nécessaire de connaître. Dans le cas de l'étude de mélanges, à cause d'une entropie de mélange beaucoup plus faible lorsqu'un des constituants est un polymère, comparativement aux mélanges de molécules de faible masse molaire, des démixtions interviennent. Le matériau va donc présenter des domaines riches en l'un ou l'autre des composés. En modulant la tension d'interface entre les deux composants, on modifie la morphologie du matériau, ce qui va permettre d'obtenir les propriétés désirées. La connaissance de la morphologie du système polymérique est donc primordiale pour ajuster au mieux les propriétés d'importance pour des applications pratiques. Le niveau de détail associé à la morphologie correspond à l'échelle dite mésoscopique. L'approche traitée dans ce dossier va du microscopique vers le macroscopique : en anglais, les termes « Bottom-Up » sont employés. Il ne sera pas question de l'inverse (en anglais « Top-Down »).
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VERSIONS
- Version courante de avr. 2020 par Armand SOLDERA, Alexandre FLEURY
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Nécessité des méthodes mésoscopiques5. Choix des méthodes
5.1 Quelle méthode choisir ?
Les deux méthodes principales de simulation à l'échelle mésoscopique ont été présentées. Chacune possède ses avantages et ses inconvénients.
Un des problèmes avec la méthode MesoDyn est qu'elle n'est pas appropriée à décrire les polymères branchés. De plus, la méthode DPD préserve l'hydrodynamique du système, ce qui représente un avantage intrinsèque par rapport à la méthode MesoDyn.
Les désavantages de la méthode DPD sont :
-
des compressibilités importantes et artificielles ;
-
des pertes de contraintes topologiques entre les chaînes ;
-
une perte de la représentation chimique du fluide complexe.
Une remarque spéciale est à faire à propos du dernier désavantage de la méthode DPD. En effet, il a été question dans tout ce dossier, d'une vision du microscopique vers le macroscopique. On utilise en anglais les termes Bottom-Up. Par contre, il n'a pas été question de l'inverse ; en anglais Top-Down. La méthode DPD ne permet donc pas d'accéder à une échelle plus petite. Nous sommes en droit de nous poser la question que si telle morphologie est désirée, quel serait alors le polymère le plus approprié pour répondre au problème. Mais cela demeure un autre sujet de discussion.
En conclusion, la méthode DPD est appropriée pour les solutions avec des tensioactifs. Elle est d'ailleurs généralement préférée lorsque le polymère se trouve en faibles concentrations. La méthode MesoDyn est principalement utilisée dans le cas de systèmes constitués de polymères dans l'état fondu, et dans le cas de mélanges de polymères.
5.2 Approche multi-échelle
Le projet OCTA a été initié par Doi (physicien à l'origine du modèle de tube d'écoulement des polymères, modèle dit de Doi-Edwards) au Japon, et est un projet multiparti incluant l'industrie, le gouvernement, et l'académie. La finalité du projet est de regrouper sous une même bannière, tous les outils nécessaires à une approche de simulation multi-échelle...
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Choix des méthodes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LAUGHLIN (R.B.), PINES (D.) - * - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 97, p. 28 (2000).
-
(2) - LAUGHLIN (R.B.) - A Different Universe : Reinventing Physics from the Bottom Down. - Basic Books, Cambridge (2005).
-
(3) - WHITESIDES (G.M.), BONCHEVA (M.) - * - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 99, p. 4769 (2002).
-
(4) - LEHN (J.M.) - * - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 99, p. 4763 (2002).
-
(5) - HAILE (J.M.) - Molecular Dynamics Simulation. - John Wiley & Sons, New York (1992).
-
(6) - UHLHERR (A.), THEODOROU (D.N.) - * - Current Opinion in Solid State & Materials Science, 3, p. 544 (1998).
-
...
ANNEXES
(liste non exhaustive)
MS : Interface
DPD
MesoDyn
MESOPROP
GOURMET : Interface
COGNAC
PASTA
SUSHI
MUFFIN
Palmyra
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