Présentation
RÉSUMÉ
La maîtrise des matériaux à l’échelle atomique est cruciale pour de nombreuses applications en sciences des matériaux et chimie moderne. Elle exige une compréhension profonde des réactions atomiques et moléculaires et la capacité à contrôler l’évolution de ces structures. Pour cela, connaître le paysage énergétique des voies de diffusion est essentiel, y compris les états initial, final et de transition. Ces états correspondent respectivement aux minima et aux points selles sur la surface d’énergie. La technique d’activation-relaxation est un algorithme efficace pour explorer cette surface d’énergie complexe. Elle est présentée en détail dans cet article avec de nombreux exemples d’application.
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Lire l'articleAUTEUR(S)
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Antoine JAY : Chargé de recherche - LAAS-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France
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Normand MOUSSEAU : Professeur - Université de Montréal, Montréal, Canada
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Nicolas SALLES : Chercheur contractuel - CNR-IOM, Democritos and Sissa, Trieste, Italy
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Miha GUNDE : Chercheur contractuel - Institute Ruđer Bošković, Zagreb, Croatia
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Matic POBERŽNIK : Chercheur contractuel - CNR-IOM, Democritos and Sissa, Trieste, Italy
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Marie BRUT : Maître de conférences - LAAS-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France
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Layla MARTIN-SAMOS : Chargée de recherche - CNR-IOM, Democritos and Sissa, Trieste, Italy
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Nicolas RICHARD : Ingénieur de recherche - CEA, DAM, DIF, Arpajon, France
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Anne HÉMERYCK : Chargée de recherche - LAAS-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France
INTRODUCTION
L’industrie synthétise de plus en plus de nouvelles molécules et de nouveaux matériaux dans le but de découvrir de nouvelles propriétés. En raison de l’augmentation constante de la qualité des produits fabriqués et de la précision requise pour leur élaboration, un nouveau besoin a émergé : celui de contrôler les réactions chimiques au niveau atomique. La thermodynamique des réactions chimiques est entièrement régie par la différence d’enthalpie libre, notée Δ G , entre un état initial stable composé de réactifs et un état final stable composé de produits. La cinétique de la réaction est, quant à elle, déterminée par la barrière d’enthalpie, notée G b , qui doit être franchie pour passer de l’état initial à l’état final, en traversant un état instable connu sous le nom d’ état de transition ou point selle . Ainsi, la connaissance de ces énergies tout au long de la réaction chimique revêt une importance cruciale pour maîtriser la chimie moderne et les applications en sciences des matériaux. Cependant, cela représente un défi algorithmique majeur, car l’énergie potentielle E du système physique dépend des positions ( x , y , z ) de l’ensemble des N at atomes qui le composent. L’énergie potentielle est donc une fonction à 3 N at dimensions qui est généralement extrêmement coûteuse à calculer pour un ensemble donné de positions atomiques.
La méthodologie la plus précise pour modéliser l’énergie d’un système atomique consiste à utiliser des calculs ab initio , qui tiennent compte de la structure électronique des atomes en résolvant l’hamiltonien du système. Toutefois, déterminer l’énergie d’un système atomique et explorer cette surface d’énergie potentielle avec une telle précision représente un coût élevé en calcul informatique. Il est donc essentiel de disposer d’un algorithme capable d’explorer efficacement la surface d’énergie potentielle à partir d’un état initial en minimisant le nombre de calculs requis.
L’objectif de cet article est de présenter la technique d’activation-relaxation (nommée « ARTn » pour activation-relaxation technique nouveau), une méthode extrêmement efficace pour découvrir de manière aveugle les différents états stables et métastables sur une surface d’énergie potentielle de grande dimension, quel que soit...
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MOTS-CLÉS
Cinétiques de réactions chimiques | Diffusion atomique | Surface d’énergie potentielle | Etat de transition | Algorithme Activation-Relaxation Technique nouveau
DOI (DIGITAL OBJECT IDENTIFIER)
Caractériser les cinétiques des diffusions atomiques - ART : l’explorateur de surfaces d’énergie potentielle
Réactions chimiques : au-delà de la thermodynamique, la cinétique
Sources bibliographiques
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