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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 à l’université de Sherbrooke (Québec-Canada)
INTRODUCTION
La modélisation moléculaire, de manière générale, n’était initialement destinée qu’aux théoriciens. Elle est en train de devenir 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 collaborent à un tel développement.
La simulation moléculaire des polymères entre parfaitement dans ce cadre. Elle tient en effet une place de plus en plus importante tant dans les grands centres industriels de recherche et de développement que dans le secteur académique. 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 physiques 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 modélisation 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 lors d’une simulation moléculaire impliquant des polymères. Elles sont basées sur l’utilisation d’un champ de forces.
Puis, la modélisation moléculaire de polymères linéaires est abordée dans le cas général. Enfin, 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.
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MOTS-CLÉS
modélisation moléculaire champ de forces dynamique moléculaire propriétés physico-chimiques des polymères
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- Version courante de avr. 2018 par Armand SOLDERA
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5. Modélisation moléculaire des polymères
Les chaînes de polymères au sein d’un matériau adoptent dans leur conformation d’équilibre la forme de pelotes statistiques . Un tel arrangement des chaînes peut être comparé à un « plat de spaghettis ». Cette forme particulière de pelote statistique implique deux notions importantes pour caractériser l’aspect des chaînes de polymère et, par la suite, pour pouvoir modéliser le matériau polymère :
-
la forme sphérique des chaînes, implicite dans le terme de pelote ;
-
l’aspect statistique.
Les polymères adoptent un très grand nombre de configurations possédant chacune une probabilité non nulle d’apparition. Due à des considérations entropiques, la probabilité de trouver une configuration présentant le minimum énergétique global est infime. De ce fait, le calcul de propriétés d’un polymère en solution ou dans l’état fondu nécessite la connaissance du comportement statistique de la chaîne. La simulation moléculaire des polymères ne permet pas d’étudier un nombre élevé de configurations. Il est donc nécessaire de générer, de la manière la plus réaliste possible, les chaînes de polymères.
Dans le cas de la simulation de petites molécules, la configuration de départ peut être celle des molécules au sein du cristal. Ces molécules sont ensuite soumises à une simulation...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - COMBA (P.), HAMBLEY (T.W.) - Molecular modeling of inorganic compounds - . Wiley-VCH, Weinheim (2000).
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(4) - BURKERT (U.), ALLINGER (N.L.) - Molecular mechanics - . ACS Monograph, vol. 177, ACS, Washington DC (1982).
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(6) - DE GENNES (P.G.) - Scaling concept in polymer physics - . Cornell University Press, Ithaca, New-York (1979).
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