Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Comprendre le fonctionnement des matériaux à l'échelle atomique reste difficilement accessible expérimentalement. Mais l'essor considérable des performances des outils de calcul a permis de simuler ces problématiques et donc de les étudier. Pour effectuer des simulations à l'échelle atomique dans les matériaux, les chercheurs font appel à deux méthodes : la dynamique moléculaire et les méthodes de Monte-Carlo. Cet article a pour but de présenter la technique de simulation appelée dynamique moléculaire. Dans un premier temps, les bases de cette méthode ainsi que ses points clefs sont développées. Ensuite, trois exemples d'applications orignaux sont proposés.. Enfin, quelques pistes et perspectives à venir concernant la dynamique moléculaire sont expliquées
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INTRODUCTION
Ce dossier a pour but de présenter une technique de simulation à l'échelle atomique appelée dynamique moléculaire. Cette méthode mise au point dans les années 1950 est de plus en plus utilisée, notamment dans le domaine des matériaux. Après une brève présentation de la technique et de ses points clefs, trois exemples sont proposés, choisis surtout pour leur originalité. Le premier a trait à la modélisation du dommage d'irradiation dans les matériaux de structure, les deux autres proposent des solutions au problème principal de la dynamique moléculaire : temps simulé très court. La première consiste à coupler la dynamique moléculaire avec une autre méthode appelée Monte-Carlo cinétique. L'autre solution présentée ici revient à faire de la dynamique moléculaire « gros grains ». Enfin, dans la dernière partie de ce dossier, des perspectives et améliorations possibles de la méthode sont décrites, ainsi que la description des principaux logiciels de dynamique moléculaire utilisés par la communauté scientifique.
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Méthode
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1. Introduction
Charlotte BECQUART est professeur à l’École nationale supérieure de chimie de Lille, laboratoire de métallurgie physique et génie des matériaux (UMR 8517).
Michel PEREZ est maître de conférences à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon, laboratoire Matériaux, ingénierie et sciences (UMR 5510).
Au cours des 70 dernières années qui ont vu un développement extraordinaire des outils de calcul, la puissance des ordinateurs a été multipliée par 1015. Depuis la naissance de ce que l'on peut appeler le premier ordinateur : le Zuse 1 en 1938, le nombre d'opérations décimales par seconde (Flops) a été multiplié par 1 000 tous les 15 ans ! (figure 1). Actuellement, cette progression est encore tellement rapide qu'un simple PC du commerce est équivalent, en termes de puissance de calcul, aux supercalculateurs d'il y a une quinzaine d'années ! Réaliser des simulations à l'échelle atomique, qui nécessitent la réalisation d'un grand nombre d'opérations par seconde, est donc maintenant à la portée des ingénieurs et des chercheurs.
L'utilisation de la dynamique moléculaire (DM) et des méthodes de Monte-Carlo (MC) date des années 1950, et l'intérêt pour ces techniques ne cesse de croître dans la communauté des matériaux. Outre l'augmentation de la puissance des moyens de calcul discutée plus haut, les raisons d'un tel engouement sont, d'une part, les avancées récentes en théorie de la matière condensée (par exemple, supraconducteurs, magnétorésistance géante), et, d'autre part, les progrès spectaculaires dans les techniques de caractérisation à l'échelle atomique (par exemple, microscopie haute résolution, sonde atomique tomographique…), qui vont contribuer à revisiter dans les prochaines années, un grand nombre de concepts laissés en suspens dans le domaine de la métallurgie (transformation de phase, plasticité…), mais aussi, plus largement, en science des matériaux.
Enfin, malgré ces progrès récents, l'échelle atomique reste encore difficilement accessible expérimentalement dans de nombreux domaines (par exemple, dommage d'irradiation dans les constituants des centrales nucléaires, plasticité dans les matériaux polymères…). Les simulations à l'échelle atomique et, notamment, la dynamique moléculaire...
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Introduction
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VERLET (L.) - Computer « experiments » on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules. - Phys. Rev., 98, p. 159 (1967).
-
(2) - VERLET (L.) - Computer « experiments » on classical fluids. II. Equilibrium correlation functions. - Phys. Rev., 201, p. 165 (1968).
-
(3) - HOCKNEY (R.W.) - The potential calculation and some applications. - Methods, Comp. Phys., 9, p. 136 (1970).
-
(4) - SWOPE (W.C.), ANDERSEN (H.C.), BERENS (P.H.), WILSON (K.R.) - A computer simulation method for the calculation of equilibrium constants for the formation of physical clusters of molecules : Application to small water clusters. - J. Chem. Phys., 76, p. 637 (1982).
-
(5) - GEAR (C.W.) - Numerical initial value problems in ordinary differential equations. - Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1971).
-
(6) - ANDERSEN...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Vu la puissance des outils de calcul et la simplicité des logiciels (souvent libres) de dynamique moléculaire, il est relativement à la portée de tout ingénieur ou chercheur qui dispose d'un peu de temps de se « lancer » : les documentations sont souvent très bien rédigées et dotées de didacticiels ou d'exemples relativement faciles à mettre en œuvre. On trouvera ci-après la liste des principales distributions disponibles. Cependant, il est beaucoup plus efficace de commencer par se « former » auprès de chercheurs expérimentés : soit lors d'un stage en laboratoire (ceux des auteurs par exemple), soit lors de workshops organisés par des groupements de laboratoires ou autres organisations (le CECAM par exemple, http://www.cecam.org/press.html)
HAUT DE PAGE2 Distributions de Dynamique Moléculaire
AMBER (Assisted Model Building and Energy Refinement) http://ambermd.org/ Univ. California. Version 10 (avril 2008). Payant sous licence (Rech./Educ. $400 – Entreprise : $25 000). Dédié molécules organiques.
CHARMM (Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics) http://www.charmm.org/ Harvard Univ. Version 36 (février 2009). Payant sous licence (Rech./Educ. $600). Dédié molécules organiques, possibilité de couplage avec un module de calcul quantique.
DL_POLY http://www.cse.scitech.ac.uk/ccg/software/DL_POLY/index.shtml Science & Technology Facility Council. Version...
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