Bibliographie & annexes
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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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Choix des méthodes4. Méthode mésoscopique basée sur la fonctionnelle de la densité
4.1 Principes
La méthode dont il va être principalement question dans ce paragraphe est une extension continue du modèle de Flory-Huggins, basée sur la DFT dynamique, DDFT (Dynamic Density Functional Theory;) [31], et implantée dans le logiciel commercial MesoDyn de la compagnie Accelrys [ http:/;/;www.accelrys.com]. Les deux principales différences avec l'approche de la théorie de Flory-Huggins résident dans le fait qu'il n'y a pas de réseau et que le système ne se trouve pas nécessairement à l'équilibre. L'hypothèse de base est que la durée pendant laquelle sont observées les chaînes de polymère est nettement supérieure au temps de relaxation d'une chaîne. Cela signifie que les chaînes peuvent échantillonner toutes les conformations selon une statistique de Boltzmann. Le principe de base de la DDFT va être de représenter de manière continue une chaîne schématisée sous la forme d'un collier de billes connectées par des ressorts harmoniques (figure 6, cas 1, 2 et 3). Chaque bille se trouve être une très petite pelote statistique, regroupant ainsi un grand nombre d'unités de répétition. La chaîne est donc traitée de manière continue (principe de la DFT exposé dans le paragraphe 2.5). La DDFT combine alors la loi généralisée de Fick avec la DFT. Cette combinaison va permettre d'obtenir l'équation de Langevin sous une forme de fonctionnelles.
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Méthode mésoscopique basée sur la fonctionnelle de la densité
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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