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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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Champs de forces
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1. Principes de la simulation moléculaire
Bien qu’employés souvent l’un pour l’autre, les concepts de modélisation moléculaire et de simulation moléculaire sont à différencier. Pour ce faire, nous considérons les définitions que donne Le Petit Robert des mots modélisation et simulation. La modélisation est une « mise en équations d’un phénomène complexe permettant d’en prévoir les équations. Spécialement : Établissement d’un modèle mathématique compréhensible par l’ordinateur pour la description et la restitution d’un objet naturel ». Quant au terme simulation, nous prendrons la définition datant du milieu du XXe siècle : « représentation du comportement de systèmes physiques (par des calculateurs numériques, etc.) en simulant par des signaux appropriés les grandeurs réelles ». Il faut donc bâtir les modèles qui vont représenter au mieux, c’est-à-dire simuler, les systèmes qui, dans le cas de cet article, sont principalement la phase amorphe de polymères linéaires. Une sous-section portera sur la température de fusion. Le concept de modèle implique des degrés d’approximation tant au niveau calculatoire que moléculaire. De ce fait, il est important de rendre compte du niveau de détails avec lesquels une simulation est générée. Cette approche dite multi-échelles a d’ailleurs été récompensée par le comité du prix Nobel de chimie de 2013 . Dans le cas de la simulation moléculaire de polymères amorphes, compte tenu du nombre élevé d’atomes dans le système, un champ de forces est utilisé pour représenter les interactions entre ces atomes. Ces interactions sont exprimées sous la forme d’équations tentant au mieux de représenter des forces physiques existant au niveau des atomes, ainsi que les paramètres qui y sont associés. Ceux-ci sont déterminés à partir de la prise en compte spécifique de l’environnement électronique via le calcul des fonctions d’onde, ou via des données expérimentales. La justesse des résultats finaux découle directement de la qualité de ce champ de forces. Il est donc important de montrer les degrés d’approximation que de tels calculs...
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Principes de la simulation 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).
-
(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
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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/
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Code libre : OCTA : http://octa.jp/
Atomistique :
-
Code libre : LAMMPS : http://lammps.sandia.gov/
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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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Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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