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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Champs de forces1. Principes de la modélisation moléculaire
Les concepts de modélisation moléculaire ou de simulation moléculaire sont souvent utilisés l’un pour l’autre de manière indifférente. La mise en route d’une simulation est toutefois assujettie à une utilisation appropriée de modèles. Le concept de modèle implique des degrés d’approximation tant au niveau calculatoire que moléculaire. De ce fait, il est important de rendre compte du niveau de détails dans lequel une simulation est générée. Dans le cas de la modélisation moléculaire des polymères linéaires, compte tenu du nombre élevé d’atomes dans le système, un champ de forces est utilisé pour représenter les interactions. La justesse des résultats finaux découle directement de la qualité de ce champ de forces. Il est donc important de montrer les degrés d’approximation qu’il implique.
L’équation primordiale en chimie théorique est l’équation de Schrödinger qui traduit les interactions entre particules, électrons et noyaux . Une telle équation différentielle :
est généralement impossible à résoudre de manière analytique.
L’opérateur hamiltonien H représente toutes les forces s’exerçant sur toutes les particules du système considéré. La résolution de cette équation donne des valeurs discrètes de l’énergie En, encore désignées par valeurs propres, auxquelles sont associées les fonctions d’onde ψn. Seule la multiplication d’une fonction d’onde, généralement une fonction complexe, par sa forme complexe conjuguée a une signification physique : le produit ainsi obtenu représente une densité de probabilité.
1.1 Méthodes ab initio
L’équation de Schrödinger ne peut être résolue analytiquement que pour les atomes,...
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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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