Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Comprendre le fonctionnement des matériaux à l'échelle atomique reste difficilement accessible expérimentalement. Mais l'essor considérable des performances des outils de calcul a permis de simuler ces problématiques et donc de les étudier. Pour effectuer des simulations à l'échelle atomique dans les matériaux, les chercheurs font appel à deux méthodes : la dynamique moléculaire et les méthodes de Monte-Carlo. Cet article a pour but de présenter la technique de simulation appelée dynamique moléculaire. Dans un premier temps, les bases de cette méthode ainsi que ses points clefs sont développées. Ensuite, trois exemples d'applications orignaux sont proposés.. Enfin, quelques pistes et perspectives à venir concernant la dynamique moléculaire sont expliquées
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At the present time, it is still difficult to understand the functioning of materials at the atomic scale from an experimental viewpoint. However, the considerable progress in the performances of calculation tools has allowed for the simulation of these issues and therefore of their study. In order to perform these simulations at the atomic scale in materials, researchers use two methods: molecular dynamics and Monte-Carlo methods. The aim of this article is to present the simulation technique so-called molecular dynamics. It starts by presenting the basics of this method and its key points. Three examples of original applications then provided. To conclude, some ideas and future prospects for molecular dynamics are explained.
Auteur(s)
INTRODUCTION
Ce dossier a pour but de présenter une technique de simulation à l'échelle atomique appelée dynamique moléculaire. Cette méthode mise au point dans les années 1950 est de plus en plus utilisée, notamment dans le domaine des matériaux. Après une brève présentation de la technique et de ses points clefs, trois exemples sont proposés, choisis surtout pour leur originalité. Le premier a trait à la modélisation du dommage d'irradiation dans les matériaux de structure, les deux autres proposent des solutions au problème principal de la dynamique moléculaire : temps simulé très court. La première consiste à coupler la dynamique moléculaire avec une autre méthode appelée Monte-Carlo cinétique. L'autre solution présentée ici revient à faire de la dynamique moléculaire « gros grains ». Enfin, dans la dernière partie de ce dossier, des perspectives et améliorations possibles de la méthode sont décrites, ainsi que la description des principaux logiciels de dynamique moléculaire utilisés par la communauté scientifique.
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Exemples d'application de la dynamique moléculaire
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2. Méthode
2.1 Équations du mouvement
La dynamique moléculaire (DM) classique est fondée sur la mécanique newtonienne : les propriétés d'un ensemble d'atomes ou particules sont déterminées en étudiant la trajectoire de chaque particule au cours du temps. Pour cela, on applique les lois de la mécanique classique aux atomes qui sont assimilés à une masse ponctuelle. On résout donc simultanément, pour tous les atomes i d'un système, les équations classiques du mouvement :
où
est la somme des forces s'exerçant sur l'atome i, mi sa masse et
son accélération. Les forces d'interaction (ou le potentiel dont elles dérivent) peuvent être obtenues à partir des premiers principes de la mécanique quantique, on parle alors de DM ab initio, mais le plus souvent (pour des raisons de taille de système à simuler) elles dérivent d'un potentiel fixé empiriquement ; on parle alors de DM classique.
L'intégration des équations de mouvement doit se faire numériquement, en choisissant un pas de temps δt fini et en approximant les équations différentielles par des équations aux différences finies. À partir de ces calculs, l'ordinateur prédit les nouvelles positions, vitesses et forces de toutes les particules à l'instant t + δt. On peut ainsi remonter au comportement d'un matériau : par exemple, mouvement et réarrangement des atomes/défauts...
Les échelles de taille et de temps accessibles par la DM sont de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres, et de quelques picosecondes. Les informations obtenues peuvent être, soit utilisables telles quelles (vitesse de propagation de dislocations, nombre et arrangement des défauts créés par irradiation...) ou comme données de départ pour des calculs à une échelle plus large (éléments finis par exemple).
Les données d'entrée d'un calcul de DM sont donc : un ensemble d'atomes, des potentiels interatomiques...
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Méthode
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VERLET (L.) - Computer « experiments » on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules. - Phys. Rev., 98, p. 159 (1967).
-
(2) - VERLET (L.) - Computer « experiments » on classical fluids. II. Equilibrium correlation functions. - Phys. Rev., 201, p. 165 (1968).
-
(3) - HOCKNEY (R.W.) - The potential calculation and some applications. - Methods, Comp. Phys., 9, p. 136 (1970).
-
(4) - SWOPE (W.C.), ANDERSEN (H.C.), BERENS (P.H.), WILSON (K.R.) - A computer simulation method for the calculation of equilibrium constants for the formation of physical clusters of molecules : Application to small water clusters. - J. Chem. Phys., 76, p. 637 (1982).
-
(5) - GEAR (C.W.) - Numerical initial value problems in ordinary differential equations. - Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1971).
-
(6) - ANDERSEN...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Modélisation moléculaire des polymères linéaires.
-
Modélisation moléculaire – Offres de logiciels et perspectives.
Vu la puissance des outils de calcul et la simplicité des logiciels (souvent libres) de dynamique moléculaire, il est relativement à la portée de tout ingénieur ou chercheur qui dispose d'un peu de temps de se « lancer » : les documentations sont souvent très bien rédigées et dotées de didacticiels ou d'exemples relativement faciles à mettre en œuvre. On trouvera ci-après la liste des principales distributions disponibles. Cependant, il est beaucoup plus efficace de commencer par se « former » auprès de chercheurs expérimentés : soit lors d'un stage en laboratoire (ceux des auteurs par exemple), soit lors de workshops organisés par des groupements de laboratoires ou autres organisations (le CECAM par exemple, http://www.cecam.org/press.html)
HAUT DE PAGE2 Distributions de Dynamique Moléculaire
AMBER (Assisted Model Building and Energy Refinement) http://ambermd.org/ Univ. California. Version 10 (avril 2008). Payant sous licence (Rech./Educ. $400 – Entreprise : $25 000). Dédié molécules organiques.
CHARMM (Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics) http://www.charmm.org/ Harvard Univ. Version 36 (février 2009). Payant sous licence (Rech./Educ. $600). Dédié molécules organiques, possibilité de couplage avec un module de calcul quantique.
DL_POLY http://www.cse.scitech.ac.uk/ccg/software/DL_POLY/index.shtml Science & Technology Facility Council. Version...
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