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
VERSIONS
- Version courante de avr. 2018 par Armand SOLDERA
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Dynamique moléculaire3. Mécanique moléculaire
3.1 Définition
La mécanique moléculaire est l’application directe d’un champ de forces à un système donné. Considérons une molécule dessinée sur un écran ou représentée par sa matrice de coordonnées internes (encore appelée matrice Z) ou cartésiennes. Celle-ci ne se trouve pas dans son état énergétique le plus stable. Il est, de ce fait, impératif d’optimiser sa structure afin qu’elle puisse être plus conforme à la réalité ou, tout du moins, à la « réalité » exprimée par le champ de forces.
Précisons une différence de définitions existant entre chimistes théoriciens et expérimentalistes, concernant les termes de configuration et de conformation.
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Deux conformations d’une même molécule diffèrent par leurs angles dièdres. Entre ces deux états, dans le cas de petites molécules, il n’est pas difficile de passer de l’une à l’autre. Cela peut s’avérer extrêmement difficile dans le cas des polymères. De ce fait, un autre « jargon » est utilisé pour exprimer deux états conformationnels du polymère pour lesquels il est nécessaire d’effectuer de nombreuses rotations ou des torsions pour passer de l’un à l’autre : ces deux états sont considérés comme deux configurations d’une même chaîne.
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En chimie organique traditionnelle, deux configurations correspondent à deux isomères d’une même molécule non superposables par de simples rotations de liaisons.
Le parallèle entre ces deux définitions se fait en considérant qu’il est nécessaire de franchir une barrière d’énergie potentielle très élevée pour passer d’une configuration à l’autre.
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Mécanique moléculaire
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - JENSEN (F.) - Introduction to computational chemistry (Introduction à la chimie computationnelle) - . John Wiley & Sons, Chichester (2001).
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(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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