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 »).
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version courante de avr. 2020 par Armand SOLDERA, Alexandre FLEURY
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Fondements des méthodes mésoscopiques1. Nécessité des méthodes mésoscopiques
Au niveau microscopique, les méthodes quantiques et atomistiques sont utilisées. La résolution de l'équation de Schrödinger permet d'obtenir des propriétés statiques, tandis que les propriétés dynamiques sont calculées à partir de la résolution de l'équation de Newton. À l'échelle macroscopique, ce sont les équations de Langevin ou Navier-Stokes qui permettent de rendre compte de la mécanique des milieux continus. Entre les deux niveaux de représentation, se trouvent les méthodes mésoscopiques, situées habituellement entre 1 nm (10 –9 m) et
(10–7 m).
Pour atteindre des temps de simulations plus longs, et ainsi franchir le palier du microscopique, des degrés de liberté représentant les mouvements intramoléculaires les plus rapides doivent être éliminés. Cette perte doit toutefois être compensée par l'introduction de paramètres supplémentaires. De plus, les méthodes mésoscopiques doivent répondre à la physique du grand nombre de particules, c'est-à-dire aux lois régissant le macroscopique. La complexité de tels systèmes va alors s'exprimer en termes de différentes approches, résultant en autant de modèles qui vont être présentés dans ce dossier.
La liste des techniques faisant l'objet de ce texte est loin d'être exhaustive. Parmi les nombreux choix de codes mésoscopiques, deux ont été délibérément choisis car ils sont représentatifs des deux approches les plus communément utilisées dans ce domaine. De plus, ils sont commerciaux et ne nécessitent pas de connaissances approfondies en informatique. Il est à remarquer que les deux codes ont été développés dans le cadre de recherches industrielles.
Le texte est présenté sous une forme multi-échelle. Ainsi, après avoir précisé le contexte scientifique associé aux méthodes mésoscopiques, les fondements directement liés à ces techniques vont être plus spécifiquement regardés. Les deux méthodes DPD et MesoDyn sont ensuite discutées, avec pour chacune des exemples d'application. Dans une dernière partie, il sera fait état de l'approche multi-échelle, qui suscite actuellement un très fort engouement, en présentant le projet OCTA...
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Nécessité des méthodes mésoscopiques
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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