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1 - INTRODUCTION

2 - MÉTHODE

  • 2.1 - Équations du mouvement
  • 2.2 - Intégration des équations du mouvement : qualités d'un bon algorithme
  • 2.3 - Ensembles thermodynamiques : contraintes imposées par le milieu extérieur
  • 2.4 - Aspects techniques
  • 2.5 - Potentiel interatomique : un ingrédient clef des simulations

3 - EXEMPLES D'APPLICATION DE LA DYNAMIQUE MOLÉCULAIRE

4 - PERSPECTIVES DE DÉVELOPPEMENT

Article de référence | Réf : RE136 v1

Exemples d'application de la dynamique moléculaire
Dynamique moléculaire appliquée aux matériaux

Auteur(s) : Charlotte BECQUART, Michel PEREZ

Relu et validé le 01 juin 2015

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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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ABSTRACT

Molecular dynamics applied to materials

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.

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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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re136


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3. Exemples d'application de la dynamique moléculaire

Dans ce qui suit, trois exemples récents et originaux d'application de la DM sont proposés. Le premier est typique de l'utilisation de la DM dans la modélisation multi-échelle appliquée à la prédiction des effets de l'irradiation pour les matériaux des centrales nucléaires. Les deux exemples suivants proposent des solutions au problème principal de la méthode qui est le très faible temps simulé (de l'ordre de la nanoseconde). La première solution consiste à coupler la dynamique moléculaire avec une autre méthode appelée Monte-Carlo cinétique qui n'est pas tributaire de la même limitation en temps. L'autre solution, présentée ici à travers un troisième exemple, revient à faire de la DM « gros grains » dans laquelle chaque particule ou grain ne représente plus un atome mais un ensemble d'atomes.

Nota

voir par exemple les projets européens PERFECT ( http://www.fp6perfect.net/perfect), GETMAT ou PERFORM-60.

3.1 Modélisation du dommage primaire

Les éléments proches d'un réacteur nucléaire sont soumis à un bombardement neutronique intense. Ce bombardement entraîne de nombreux changements microstructuraux et altère les propriétés mécaniques des matériaux utilisés (notamment leur résistance à la fissuration). Le premier événement de ce dommage est l'arrivée d'une particule source qui interagit avec les atomes composant la cible en leur transmettant (entre autre) une certaine quantité d'énergie cinétique. Si celle-ci est suffisante pour que l'atome (le Primary Knocked-on Atom PKA) quitte son site atomique, celui-ci entrera en collision avec les atomes de son voisinage. Ceux-ci peuvent à leur tour acquérir suffisamment d'énergie cinétique pour produire de nouvelles collisions. Ce phénomène, se produisant de proche en proche (le phénomène à l'échelle atomique est comparable aux chocs entre des boules de billard), déclenche ainsi une avalanche de déplacements atomiques appelée « cascade de déplacements ». Le sillage du neutron dans le matériau est donc parsemé de cascades de déplacements (le libre parcours moyen entre deux collisions dans un matériau ferritique est de 40 mm pour un neutron de 1 MeV) jusqu'à ce que toute l'énergie cinétique du neutron ait été transférée au réseau. C'est au cours...

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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...

1 Outils logiciels

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)

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2 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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