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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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Mécanique moléculaire
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2. Champs de forces
La longueur de la liaison entre un atome de carbone et un atome d’hydrogène, quelle que soit la molécule considérée contenant ce groupement, est généralement voisine de 1,1 Å (0,11 nm) ; de même, l’angle de valence formé par les atomes d’hydrogène, de carbone et d’hydrogène, reste voisin de 109˚28’, angle se retrouvant au sein de la molécule de méthane. Il existe donc des valeurs « naturelles », c’est-à-dire exemptes de toute contrainte, qui peuvent être transférées d’une molécule à une autre ; cela est principalement vrai pour les composés organiques. Le cas des minéraux est plus complexe.
Cette notion de transférabilité des paramètres internes est à l’origine de l’utilisation des premiers modèles rigides. Dans ces modèles, les atomes sont des boules au nombre d’orifices dicté par leur hybridation. Ces trous permettent ainsi d’effectuer le nombre adéquat de liaisons avec les autres atomes. La principale finalité de tels modèles est de visualiser l’arrangement spatial des molécules. Toutefois, si l’environnement électronique d’un atome est modifié, la longueur de liaison et l’angle de valence vont changer jusqu’à atteindre une valeur d’équilibre. Cet aspect ne peut être perçu par un simple modèle rigide, il est donc nécessaire de rendre compte de ces variations par l’utilisation d’un modèle mathématique. Ce modèle va permettre de définir le « champ de forces ».
Les « champs de forces » proviennent originellement de la spectroscopie d’absorption infrarouge où ils correspondent à un ensemble d’équations visant à reproduire ou à prédire les spectres vibrationnels . Les plus couramment employés étaient le GCF (General Central Force field), le GVF (General Valence Force field) et le UBF (Urey-Bradley Force field). Les champs de forces actuels, tels que l’entend la simulation moléculaire,...
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Champs de forces
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).
-
(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).
-
(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/
-
Code libre : GAMESS : http://www.msg.ameslab.gov/GAMESS/
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