Bibliographie & annexes
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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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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
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- Version courante de avr. 2018 par Armand SOLDERA
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Mécanique moléculaire2. Champs de forces
La longueur de la liaison entre un atome de carbone et un atome d’hydrogène, quelle que soit la molécule considérée contenant ce groupement, est généralement voisine de 1,1 Å (0,11 nm) ; de même, l’angle de valence formé par les atomes d’hydrogène, de carbone et d’hydrogène, reste voisin de 109˚28’, angle se retrouvant au sein de la molécule de méthane. Il existe donc des valeurs « naturelles », c’est-à-dire exemptes de toute contrainte, qui peuvent être transférées d’une molécule à une autre ; cela est principalement vrai pour les composés organiques. Le cas des minéraux est plus complexe .
Cette notion de transférabilité des paramètres internes est à l’origine de l’utilisation des premiers modèles rigides. Dans ces modèles, les atomes sont des boules au nombre d’orifices dicté par leur hybridation. Ces trous permettent ainsi d’effectuer le nombre adéquat de liaisons avec les autres atomes. La principale finalité de tels modèles est de visualiser l’arrangement spatial des molécules. Toutefois, si l’environnement électronique d’un atome est modifié, la longueur de liaison et l’angle de valence vont changer jusqu’à atteindre une valeur d’équilibre. Cet aspect ne peut être perçu par un simple modèle rigide, il est donc nécessaire de rendre compte de ces variations par l’utilisation d’un modèle mathématique. Ce modèle va permettre de définir le « champ de forces ».
Les « champs de forces » proviennent originellement de la spectroscopie d’absorption infrarouge où ils correspondent à un ensemble d’équations visant à reproduire ou à prédire les spectres vibrationnels ...
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Champs de forces
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - COMBA (P.), HAMBLEY (T.W.) - Molecular modeling of inorganic compounds - . Wiley-VCH, Weinheim (2000).
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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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