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RÉSUMÉ
Comment établir un lien entre les résultats de calculs menés à l’échelle microscopique et des propriétés mesurables à notre échelle macroscopique sur les systèmes matériels réels que l’ingénieur souhaite maîtriser ? L’objectif est double : « valider » le modèle moléculaire atomistique et prédire rapidement et avec précision des propriétés difficiles, coûteuses et longues à mesurer. La première étape est en principe un processus rétroactif en boucle, le modèle moléculaire devant être modifié jusqu’à l’obtention d’une convergence entre propriétés calculées et propriétés simulées. Avec la seconde étape commence l’application technique pour l’ingénieur.
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How do we establish a link between calculation results conducted microscopically and measurable properties on our macroscopic scale on the actual hardware systems engineers wish to control? The objective is twofold: to “validate” the atomic molecular model and predict the properties that are difficult, expensive and time consuming to measure, quickly and precisely. The first step is basically a retroactive loop process, with the molecular model being modified until a convergence between calculated properties and simulated properties is attained. For the engineer, the technical application begins with the second step.
Auteur(s)
-
Hervé TOULHOAT : Ingénieur ENSCP (École nationale supérieure de chimie de Paris) - Docteur-Ingénieur de l’ENSMP (École nationale supérieure des mines de Paris) - Habilité à diriger des recherches (université Pierre-et-Marie-Curie, Paris 6) - Professeur à l’Institut français du pétrole, adjoint au Directeur scientifique
INTRODUCTION
Ce dossier a pour but de montrer comment un lien peut être établi entre les résultats de calculs menés à l’échelle microscopique, c’est‐à‐dire sur un échantillon représentatif d’atomes en interaction, et des propriétés mesurables à notre échelle macroscopique sur les systèmes matériels réels que l’ingénieur souhaite maîtriser.
L’objectif est normalement double avec deux étapes en séquence :
-
« valider » le modèle moléculaire atomistique, c’est‐à‐dire s’assurer que l’hypothèse chimique et structurale qu’il représente est en accord avec la réalité ;
-
prédire rapidement et avec précision des propriétés difficiles, coûteuses et longues à mesurer.
La première étape est en principe un processus rétroactif en boucle, le modèle moléculaire devant être modifié jusqu’à l’obtention d’une convergence entre propriétés calculées et propriétés simulées. Avec la seconde étape commence l’application technique pour l’ingénieur.
La liste des méthodes de calcul de propriétés présentée dans cette section reflète avant tout un choix de l’auteur influencé notamment par son expérience et ses orientations personnelles en recherche. Cette liste n’est pas exhaustive des possibilités offertes par la modélisation moléculaire. Elle tente néanmoins de répertorier les méthodes les plus fréquemment sollicitées dans un contexte de recherche-développement à finalité industrielle.
Ce dossier complète les publications et sur les bases théoriques de la modélisation moléculaire. Le dossier , après quelques considérations générales, expose les notions élémentaires de physique statistique, de mécanique moléculaire et de mécanique quantique à connaître pour situer l’assise scientifique des méthodes numériques contemporaines de modélisation et simulation moléculaire. Le dossier présente plus en détail la gamme des méthodes de chimie quantique, qui comprend les méthodes de type « Hartree-Fock » et « post Hartree-Fock », d’une part, et les méthodes basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité électronique, d’autre part (DFT).
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Raccordement d’échelles en temps et en espace
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7. Descripteurs moléculaires, relations structures- propriétés et formulation
L’ingénieur chimiste ayant pour tâche, dans le cas le plus général, la production d’une substance exprimant de manière optimale une propriété d’usage, au meilleur prix de revient, en toute sécurité, et avec le plus souvent une forte valeur ajoutée à l’innovation, dispose de degrés de liberté dans le choix des structures chimiques, d’une part, et de leur association en « formules », d’autre part. Que cette propriété d’usage soit une couleur, un ensemble de propriétés mécaniques ou une activité biologique, nous avons vu que le cas le plus favorable correspond à la mise en évidence d’un déterminisme physico-chimique clair et quantitatif pour une propriété d’usage. Envisagée comme technique de l’ingénieur, la modélisation moléculaire dans son ensemble tend à des découvertes de cet ordre. Malheureusement ce déterminisme est bien souvent si complexe que de très nombreuses années-chercheurs doivent être investies pour aboutir à un tel résultat. L’enjeu économique ne le justifie pas toujours. Ou encore, les méthodes expérimentales et théoriques combinées ne sont pas à même, en l’état instantané de la science, de cerner suffisamment le mécanisme. C’est pourquoi la recherche de corrélations entre mesures de propriétés et éléments qualitatifs et quantitatifs de description des structures s’avère très souvent une alternative raisonnable et fructueuse. Cette démarche est généralement désignée dans la littérature anglo-saxonne spécialisée par les acronymes QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship ) et QSPR (Quantitative Structure Property Relationship ).
La recherche du modèle corrélatif optimal relève des techniques d’analyse statistique des données .
La modélisation moléculaire permet de générer de nombreuses quantités caractéristiques pour une structure chimique donnée, ou descripteurs. II peut s’agir tout simplement de la masse molaire, ou encore des coefficients stœchiométriques associés...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DAL MASO (F.), BENKEMOUN (J.), TOULHOAT (H.) - Possibilités actuelles du calcul des constantes élastiques de polymères par des méthodes de simulation atomistique. - Revue de l’Institut Français du Pétrole, 52, 6, p. 625-641, Éditions Technip, nov.-déc. 1997.
-
(2) - HAFNER (J.) - Vibrational spectroscopy using ab-initio density-functional techniques (Spectroscopie vibrationnelle à partir de techniques de calcul ab initio basées sur la fonctionnelle de la densité). - Journal of Molecular Structure, 651-653, p. 3-17 (2003).
-
(3) - UGLIENGO (P.) - ANHARM-A program to solve numerically the mononuclear Schrödinger equation (ANHARM – Un programme pour la résolution numérique de l’équation de Schrödinger mononucléaire). - http://ccp14.sims.nrc.ca/ccp/ccp14/ftp-mirror/anharm/pub/ ANHARM/
-
(4) - HEHRE (W.J.), RADOM (L.), SCHLEYER (P.), POPLE (J.A.) - Ab initio molecular orbital theory (Théorie ab initio des orbitales moléculaires). - John Wiley & Sons, 548 p. (1986).
-
(5) - VAN SANTEN (R.A.), NIEMANDSVERDRIET (J.W.) - Chemical...
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