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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 - 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
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2003 par Armand SOLDERA
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Simulation moléculaire des polymères
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4. Dynamique moléculaire
4.1 Définitions
Le principe d’une simulation de dynamique moléculaire est d’animer les atomes, une molécule, ou un ensemble d’objets, amenant à une trajectoire, soit une suite de configurations dans le temps. Nous verrons au paragraphe 4.5.1, qu’elle correspond à l’exploration de l’espace des phases. Cette trajectoire contient les coordonnées et quantités de mouvement de tous les atomes permettant ainsi de pouvoir effectuer les analyses appropriées tels que les calculs de température, pression et fonctions d’autocorrélation . Pour ce faire, le code de calcul intègre les équations du mouvement. Afin de ne pas faire diverger le système, la configuration de départ doit être relaxée, ou être dans un état qui peut être considéré comme stable. De ce fait, toute simulation de dynamique moléculaire doit être précédée d’un protocole de relaxation du système se terminant par une minimisation d’énergie. Généralement, afin de générer une simulation de dynamique moléculaire, les équations newtoniennes du mouvement sont employées, mais les équations de Lagrange ou de Hamilton peuvent également être utilisées.
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Dynamique moléculaire
BIBLIOGRAPHIE
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(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).
-
(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).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Dynamique moléculaire appliquée aux matériaux
-
Thermique À L’échelle Submicronique Introduction À La Dynamique Moléculaire.
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Atomistique :
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Code libre : LAMMPS : http://lammps.sandia.gov/
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Code commercial : Mede A®, Materials Design : http://www.materialsdesign.com
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Code commercial : Gaussian : http://www.gaussian.com/
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Code libre : GAMESS : http://www.msg.ameslab.gov/GAMESS/
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