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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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With the constant development of computer capacity and increasingly efficient computational codes, coupled with user - friendly visualization software, molecular simulation is playing a major role outside the restricted setting of a laboratory or a design office, with the emerging function of the digital experimenter. However, an experienced user needs to know all the intricacies of this new discipline, which can be considered as a third way of doing science. Once the formalism is learnt, simulation reveals its great strength for solving scientific or engineering problems. In this article, the emphasis is put on its foundations, with a specific focus on polymers, and the amorphous phase. Concrete examples are given.
Auteur(s)
-
Armand SOLDERA : Professeur - Laboratoire de physico-chimie moléculaire, Département de chimie - Université de Sherbrooke, Sherbrooke (Québec), Canada
INTRODUCTION
La modélisation moléculaire provient des physiciens théoriciens qui l’utilisaient pour confirmer leurs modèles théoriques. La simulation moléculaire utilise ces modèles pour tenter de représenter au mieux la réalité. Elle devient alors 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 contribuent également à un tel développement.
La simulation moléculaire des polymères tient une place de plus en plus importante tant dans le secteur académique qu’au sein des grands centres industriels de recherche et de développement. 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 microscopiques 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 simulation 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. Elles reposent sur l’utilisation d’un champ de forces qui expriment les interactions entre atomes.
Par la suite, la simulation moléculaire de polymères linéaires est abordée dans le cas général. Finalement, 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. Un petit aparté sera fait en montrant comment est déterminée la température de fusion.
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MOTS-CLÉS
modélisation moléculaire champ de forces dynamique moléculaire propriétés physico-chimiques des polymères
KEYWORDS
molecular modeling | force field | molecular dynamic | physicochemical properties of polymers
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2003 par Armand SOLDERA
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion
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7. Applications
Les applications de l’utilisation de la simulation moléculaire des polymères, présentées dans cette section, ont pour finalité de donner un aperçu de ce qu’il est possible de faire dans ce domaine, et d’en voir les limites. Pour une analyse plus détaillée de chaque cas, le lecteur se référera à la bibliographie.
7.1 Cas d’école de la conception d’un nouveau polymère
L’article d’Eichinger et col. soulève les principales difficultés qui interviennent lors de la conception de nouveaux polymères à propriété spécifique, et tente de les résoudre . La simulation moléculaire y est utilisée en complément d’outils théoriques et expérimentaux. La propriété que les auteurs désirent améliorer est une utilisation plus appropriée d’un polymère pour les lentilles de contact. En suivant cette trame, nous allons exposer les principales phases d’une démarche de conception de nouveaux composés.
L’étape initiale est de poser correctement le problème. En ce sens, un cahier des charges doit être clairement établi. Au sein de ce cahier des charges vont être inscrites toutes les propriétés que le composé final devrait présenter. Pour tenter de les résoudre en concevant un nouveau matériau, et ce de la manière la plus efficace possible, tous les moyens expérimentaux, de simulation ou théoriques doivent être utilisés. Les limitations rencontrées doivent être surmontées en effectuant, dans certains cas, des approximations qu’il faudra valider.
HAUT DE PAGE
Le polymère optimal pour une utilisation comme lentille de contact doit présenter les caractéristiques suivantes :
-
bon gonflement avec les larmes ;
-
bonne...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - * - https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/.
-
(2) - JENSEN (F.) - Introduction to Computational Chemistry Computational Chemistry - 2nd Edition ; - John Wiley & Sons : Chichester (2007).
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(3) - RADOM (L.), HEHRE (W.J.), POPLE (J.A.) - Molecular Orbital Theory of the Electronic Structure of Organic Compounds. XIII. Fourier Component Analysis of Internal Rotation Potential Functions in Saturated Molecules. - J. Am. Chem. Soc., 94 (7), 2371 (1972).
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(4) - KOCH (W.), HOLTHAUSEN (M.C.) - A Chemist’s Guide to Density Functional Theory, - 2nd ed. ; Wiley-VCH : Weinheim ; New York (2001).
-
(5) - LEACH (A.R.) - Molecular Modelling : Principles and Applications, - 2nd ed. ; Prentice Hall : Harlow, England ; New York (2001).
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Dynamique moléculaire appliquée aux matériaux
-
Thermique À L’échelle Submicronique Introduction À La Dynamique Moléculaire.
-
...
ANNEXES
Multi-échelles :
-
Code commercial : Materials Studio de Biovia, Dassault Systemes : https://www.3ds.com/products-services/biovia/products/molecular-modeling-simulation/biovia-materials-studio/
-
Code libre : OCTA : http://octa.jp/
Atomistique :
-
Code libre : LAMMPS : http://lammps.sandia.gov/
-
Code commercial : Mede A®, Materials Design : http://www.materialsdesign.com
Quantique :
-
Code commercial : Gaussian : http://www.gaussian.com/
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Code libre : GAMESS : http://www.msg.ameslab.gov/GAMESS/
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