Article

1 - PHYSIQUE STATISTIQUE NUMÉRIQUE D’ENSEMBLES D’ATOMES

  • 1.1 - Ensembles statistiques. Prises de moyennes
  • 1.2 - Exploration numérique de l’espace des phases

2 - CALCUL DE L’ÉNERGIE DES CONFIGURATIONS

Article de référence | Réf : J1011 v1

Modélisation moléculaire - Bases théoriques (partie 1)

Auteur(s) : Hervé TOULHOAT

Relu et validé le 01 mars 2015

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

Version en anglais En anglais

RÉSUMÉ

La modélisation moléculaire ouvre de nouvelles perspectives en reliant structures chimiques et propriétés via les premiers principes de la physique, permettant ainsi un tri virtuel des structures préalablement à toute expérimentation, voire préférablement à l’expérimentation, dès lors que le cahier des charges dépasse un certain seuil de complexité. Dans un contexte mondial toujours plus contraignant, dans le respect des conditions du développement durable, l’efficacité annoncée de la modélisation moléculaire devrait faire l’unanimité aux stades de la recherche et du développement.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

Auteur(s)

  • Hervé TOULHOAT : Ingénieur ENSCP (École nationale supérieure de chimie de Paris) - Docteur Ingénieur de l’ENSMP (École nationale supérieure des mines de Paris) - Habilité à diriger des recherches (université Pierre-et-Marie Curie, Paris VI) - Professeur de l’Institut français du pétrole - Adjoint au Directeur scientifique

INTRODUCTION

De la mécanique moléculaire à la mécanique quantique

Comment définir la modélisation moléculaire, et en quoi peut-elle être considérée comme une technique de l’ingénieur ?

Les sciences de la matière ont trouvé leur fondation depuis la fin du XIX e siècle dans la théorie atomique. L’ingénieur concerné par les transformations utiles de la matière s’appuie sur une représentation atomistique et moléculaire des processus mis en jeu. À partir de telles descriptions microscopiques, les concepts de la thermodynamique, de la cinétique chimique, de la spectroscopie, de la cristallographie, de la physique du solide, etc., autorisent en principe des prédictions quantitatives d’observables macroscopiques. En pratique, ces concepts ont jusqu’à naguère essentiellement permis d’organiser et interpréter des mesures expérimentales et de baser les prédictions sur ces mesures. C’est ainsi, par exemple, qu’ont été constituées de vastes bases de données répertoriant les propriétés thermodynamiques de corps purs nécessaires à la conception initiale de procédés industriels.

Aujourd’hui, les progrès de l’informatique favorisent le déploiement des techniques de simulation numérique en tant qu’instrument exploratoire dans tous les domaines des sciences physiques, et en tant qu’instrument de conception en ingénierie. Les sciences de la matière et le génie des procédés ne sont pas en reste : pour autant, la simulation concerne des collections d’atomes, dont l’agrégation organisée à des degrés divers, de la petite molécule au cristal, sous-tend la diversité du réel perçu à l’échelle humaine, du minéral au vivant. Probablement parce que les chimistes les premiers y ont trouvé une extension naturelle de leurs modèles et maquettes moléculaires tridimensionnels à base de boules et baguettes, l’usage a consacré l’appellation « modélisation moléculaire » pour cette catégorie de simulations ou, terme souvent plus approprié, d’expérimentations numériques.L’ingénieur chimiste au sens large cherche en effet à produire une matière à valeur d’usage : sa première cible est une propriété. La sensibilité croissante et très justifiée du consommateur aux nuisances potentielles des substances artificielles envers la santé humaine et l’environnement impliquent en fait un cahier des charges complexe de propriétés recherchées et de propriétés à éviter. La recherche exploratoire a très tôt tenté de dépasser le stade des « essais et erreurs » pour établir des « relations structures/propriétés ». Ces dernières procèdent d’abord par analogie, mais atteignent leur plus grande maturité lorsqu’elles se trouvent fondées dans un déterminisme physico-chimique clair.

Chez l’ingénieur, la motivation la plus forte pour le recours à la modélisation moléculaire se trouve, de ce fait, dans la perspective qu’elle offre de relier structures chimiques et propriétés via les premiers principes de la physique, ouvrant donc la voie à un tri virtuel des structures préalablement à toute expérimentation, voire préférablement à l’expérimentation, dès lors que le cahier des charges évoqué ci-dessus dépassera un certain seuil de complexité.

Un bénéfice additionnel, pour ainsi dire, réside dans le fait que le chemin de production d’une structure chimique ciblée, fusse-t-elle entièrement nouvelle, peut également être évalué par modélisation moléculaire, du moins en principe : fonctions thermodynamiques des réactifs et produits dans leurs divers états, paramètres cinétiques des réactions, propriétés de transport... Il n’est aucune base de conception et dimensionnement d’un procédé de transformation de la matière qui ne puisse, si cela en vaut la peine, être générée par une technique appropriée de modélisation moléculaire.

Dans un contexte toujours plus contraignant pour produire à temps et rentablement sur un marché mondialisé, dans le respect des conditions du développement durable, c’est-à-dire avec économies optimales de matières premières et d’énergie, et perturbation minimale de l’environnement, l’efficacité annoncée de la modélisation moléculaire devrait faire l’unanimité aux stades de la recherche et du développement.

Pourtant, soit que le réel résiste à la modélisation réductrice, soit que l’effort de calcul à consentir dépasse les ressources accessibles à un coût raisonnable, la modélisation moléculaire présente évidemment des limitations.

L’objectif de ce dossier est donc, au-delà d’une présentation des diverses techniques de modélisation moléculaire, autant d’en faire valoir le potentiel et d’en montrer des applications, que d’en cerner les limites en l’état actuel des connaissances et des performances du matériel informatique. Ces limites sont heureusement constamment repoussées, aussi bien du fait d’une communauté scientifique extrêmement active que du fait de la loi de Moore.

L’ensemble Modélisation moléculaire- Bases théoriques (partie 1), et Bases théoriques, dresse un inventaire le plus complet possible des grandes techniques de simulation, relevant soit de la physique statistique numérique, soit de la chimie quantique, qui constituent aujourd’hui le champ large de la modélisation moléculaire : les présentations sont détaillées ou plus succintes selon l’accent d’importance pratique attribué par l’auteur. Des renvois à des ouvrages spécialisés sont effectués si nécessaire. Le dossier [J 1 014] « Mise en œuvre et exemples d’application » traitera tout d’abord, des techniques de construction de modèles moléculaires numériques. Il proposera ensuite un échantillon quelque peu éclectique, reflétant avant tout le parcours de l’auteur, de résultat de travaux illustrant la mise en œuvre de telle ou telle technique, ou d’une combinaison de techniques, à diverses fins applicatives dans un contexte de recherche et développement. Il comportera, en annexe, un catalogue commenté non exhaustif de l’offre commerciale et académique actuelle d’outils de modélisation moléculaire.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j1011


Cet article fait partie de l’offre

Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique

(361 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Version en anglais En anglais

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique

(361 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - UNGERER (Ph.), TAVITIAN (B.), BOUTIN (A.) -   Applications of molecular simulations in the oil and gas industry, Monte Carlo methods  -  (Applications de la simulation moléculaire dans l’industrie pétrolière et gazière, méthodes de Monte Carlo). Éditions Technip, 295 p (2005).

  • (2) - ALLEN (M.P.), TILDESLEY (D.J.) -   Computer simulations of liquids  -  (Simulations des liquides sur ordinateur). Oxford University Press, 385 p (1987).

  • (3) - FRENKEL (D.), SMIT (B.) -   Understanding molecular simulations  -  (Pour comprendre les simulations moléculaires). Academic Press, 443 p. (1996).

  • (4) - DINUR (U.), HAGLER (A.T.) -   Approaches to empirical force fields  -  (Approches des champs de force empiriques), in Reviews of Computational Chemistry, Vol. 2 ; Lipkwowitz (K.B.), Boyd (D.B.), Éds., VCH. New York, Chapter 4 (1991).

  • (5) - RIVAIL (J.L.) -   Éléments de chimie quantique à l’usage des chimistes  -  . InterÉditions/Éditions du CNRS, 426 p. (1989).

  • ...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique

(361 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS