conférence IPR - Aziz Ghoufi

Simulation Moléculaire : de la thermodynamique au nanoscope « in silico »

La thermodynamique est l’étude de la relation entre les différentes propriétés du système à l’équilibre. C’est avant tout une science expérimentale, qui est très précieuse d’un point de vue pratique dans de nombreux domaines tels que la biologie, la chimie, la géologie, la physique et les sciences de l’ingénieur. La thermodynamique fut développée dans les années 1800, lorsque la théorie atomique de la matière ne faisait pas l’unanimité. Avec le développement de la théorie atomique au début des années 1900, on attribua à la thermodynamique une interprétation et une base moléculaire. Ainsi est née la thermodynamique statistique, permettant de lier les moyennes de grandeurs moléculaires à des grandeurs macroscopiques. La passage du micro au macro qui met en jeu un nombre incommensurable, le nombre d’Avogadro (6.02 1023 molécules) ne peut être réalisé que par le biais de méthodes probabilistes. Il en résulte que les grandeurs observées ne sont en fait que des valeurs moyennes obtenues à partir d’un certains nombres d’états microscopiques qu’il faut pouvoir échantillonner de manière conséquente.

La simulation moléculaire permet justement cet échantillonnage. En conjuguant ainsi les techniques de simulation moléculaire et la thermodynamique statistique il est possible de déterminer de nombreuses propriétés macroscopiques comparables aux valeurs expérimentales. Cette confrontation permet de valider les modèles et les algorithmes utilisés. Une fois validées, les simulations permettent de donner une interprétation microscopique des grandeurs macroscopiques calculées. En outre, ces techniques de simulation peuvent, dans certains cas, prendre le relais sur les mesures expérimentales pour être prédictives. De nos jours la simulation moléculaire est donc devenue un outil de choix et incontournable pour sonder la matière depuis l’électron jusqu’ au matériau massif et est considérée comme la troisième voie scientifique après la théorie et l’expérience.  Durant cet exposé je présenterai un bref historique ainsi que les bases de la simulation moléculaire dite « classique » que j’illustrerai à travers des exemples tirés de travaux de recherche récents.