Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Avec le développement constant de la capacité des ordinateurs, et de la performance des codes, associés à des logiciels de visualisation conviviaux, la simulation moléculaire se manifeste hors du cadre réservé d’un laboratoire, ou d’un bureau d'études, menant à une réelle fonction d’expérimentateur numérique. Toutefois, l’utilisateur averti doit connaître les tenants et les aboutissants de cette discipline nouvelle, cette troisième voie pour faire des sciences. Passé le formalisme, la simulation se dévoile et révèle son fort potentiel dans la résolution de problèmes scientifiques ou d’ingénierie. Dans cet article, ses fondements spécifiquement orientés pour l’étude des polymères, principalement de la phase amorphe, sont présentés. Des exemples concrets sont par la suite exposés.
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With the constant development of computer capacity and increasingly efficient computational codes, coupled with user - friendly visualization software, molecular simulation is playing a major role outside the restricted setting of a laboratory or a design office, with the emerging function of the digital experimenter. However, an experienced user needs to know all the intricacies of this new discipline, which can be considered as a third way of doing science. Once the formalism is learnt, simulation reveals its great strength for solving scientific or engineering problems. In this article, the emphasis is put on its foundations, with a specific focus on polymers, and the amorphous phase. Concrete examples are given.
Auteur(s)
-
Armand SOLDERA : Professeur à l’université de Sherbrooke (Québec-Canada)
INTRODUCTION
La modélisation moléculaire, de manière générale, n’était initialement destinée qu’aux théoriciens. Elle est en train de devenir un outil de laboratoire à part entière. L’introduction d’interfaces graphiques, rendant l’utilisation des codes de calcul plus conviviale, ne peut à elle seule expliquer son fabuleux essor de ces dernières années. Des ordinateurs de plus en plus puissants et des modèles de plus en plus raffinés collaborent à un tel développement.
La simulation moléculaire des polymères entre parfaitement dans ce cadre. Elle tient en effet une place de plus en plus importante tant dans les grands centres industriels de recherche et de développement que dans le secteur académique. Elle tend ainsi à diminuer les essais-erreurs, fort coûteux aussi bien d’un point de vue financier que d’un point de vue temporel.
Elle doit toutefois être utilisée conjointement avec les outils de laboratoire plus classiques, que ce soient les techniques expérimentales ou la théorie. En ce sens, elle ne cherche pas à fournir, à elle seule, la molécule « miracle », c’est-à-dire la molécule présentant toutes les propriétés désirées, ni à dévoiler tous les mystères physiques associés à une propriété macroscopique. Sa finalité reste la prédiction de propriétés physiques. Elle doit donc être utilisée comme guide à la synthèse de nouveaux composés et révélatrice de comportements moléculaires générant les propriétés macroscopiques grâce auxquels des mesures expérimentales pourront être entreprises. Elle est donc assujettie à une utilisation appropriée des méthodes et des modèles.
Afin de montrer les tenants et les aboutissants de la modélisation moléculaire des polymères, cet article en présente tout d’abord les principes de base. Compte tenu du nombre très élevé d’atomes à considérer, les méthodes empiriques que sont la mécanique et la dynamique moléculaires sont les méthodes de choix lors d’une simulation moléculaire impliquant des polymères. Elles sont basées sur l’utilisation d’un champ de forces.
Puis, la modélisation moléculaire de polymères linéaires est abordée dans le cas général. Enfin, les manières les plus courantes de modéliser la phase amorphe des polymères et la manière d’analyser les résultats de simulation moléculaire impliquant des polymères, ainsi que quelques exemples d’applications de cette nouvelle technique de laboratoire terminent cet exposé.
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MOTS-CLÉS
modélisation moléculaire champ de forces dynamique moléculaire propriétés physico-chimiques des polymères
KEYWORDS
molecular modeling | force field | molecular dynamic | physicochemical properties of polymers
VERSIONS
- Version courante de avr. 2018 par Armand SOLDERA
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Applications6. Analyse des résultats
6.1 Échantillonnage
L’échantillonnage correspond à la sélection des configurations les plus représentatives de l’espace conformationnel. Plus le nombre de configurations initiales est élevé, plus la valeur de la propriété calculée présentera un faible écart-type. Dans leur article originel, Theodorou et Suter utilisent quinze configurations . Ce nombre semble faible comparativement aux innombrables possibilités qu’offrent les chaînes de polymère. Toutefois, la génération de départ est réaliste. Elle tend donc à réduire l’espace conformationnel au domaine approprié du polymère d’étude. La phase d’optimisation de l’occupation de la cellule est importante : elle permet par une série de simulations de dynamique moléculaire de peaufiner la configuration de départ, et ainsi de rendre le modèle le plus conforme à la réalité. La procédure la plus couramment employée est le recuit simulé. Les calculs peuvent alors s’avérer très longs, et l’utilisation de quinze configurations de départ est inappropriée. Néanmoins, l’utilisation d’une seule configuration ne permettrait pas d’apporter des conclusions pertinentes.
Il est important de souligner dans ce paragraphe que l’aspect qualitatif, ou relatif, est principalement recherché lors d’une simulation moléculaire de polymères. Ainsi, dans le cas de la compréhension de la différence de température de transition vitreuse survenant entre les deux chaînes de PMMA de tacticités différentes, seule la différence entre les deux Tg obtenue par simulation est comparée à la différence expérimentale . Des valeurs de Tg nettement plus élevées que les données expérimentales ne sont pas contradictoires avec les phénomènes microscopiques mis en jeu. De plus, elles peuvent être expliquées par le fait que...
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Analyse des résultats
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - JENSEN (F.) - Introduction to computational chemistry (Introduction à la chimie computationnelle) - . John Wiley & Sons, Chichester (2001).
-
(2) - COMBA (P.), HAMBLEY (T.W.) - Molecular modeling of inorganic compounds - . Wiley-VCH, Weinheim (2000).
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(3) - PAINTER (P.C.), COLEMAN (M.M.), KOENIG (J.L.) - The theory of vibrational spectro-scopy and its application to polymeric materials - . Wiley-Interscience, New-York (1982).
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(4) - BURKERT (U.), ALLINGER (N.L.) - Molecular mechanics - . ACS Monograph, vol. 177, ACS, Washington DC (1982).
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(5) - GERSCHEL (A.) - Liaisons intermoléculaires ; les forces en jeu dans la matière condensée - . CNRS éditions. Paris (1995).
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(6) - DE GENNES (P.G.) - Scaling concept in polymer physics - . Cornell University Press, Ithaca, New-York (1979).
- ...
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