Responsable : Agilio Padua
Syllabus
1. Prérequis
Thermodynamique statistique, PHYS3203.
Thermodynamique classique, PHYS3108 (conseillé).
2. Présentation/Objectifs/Compétences
Ce cours a pour objectif d’introduire et d’appliquer la simulation moléculaire à l’étude de liquides, solutions, interfaces et biomolécules. Les éléments qui constituent un code de dynamique moléculaire sont présentés et analysés, ainsi que les modèles décrivant la structure et les interactions de molécules, d’ions et de matériaux.
La simulation moléculaire permet le calcul de propriétés d’équilibre ou dynamiques de systèmes complexes, en partant d’une description des interactions moléculaires et de la mécanique statistique. Certaines grandeurs sont comparables à des données expérimentales, permettant d’évaluer la qualité des modèles. Mais, en plus, la simulation moléculaire donne accès à d’autres grandeurs difficilement accessibles aux expériences et qui contribuent à améliorer notre compréhension à l’échelle microscopique d’aspects physico-chimiques clefs.
La dynamique moléculaire peut s’appliquer sur la base d’un modèle de mécanique classique (champ de forces atomistique ou gros grains) ou sur la base d’un calcul des forces par la mécanique quantique (dynamique moléculaire ab initio). Ainsi, la dynamique moléculaire permet de décrire la matière à différentes échelles, allant de la structure électronique à l’échelle mésoscopique, en pratique aujourd’hui, des longueurs allant de l’angström au micromètre, et des durées d’observation allant de la picoseconde à la microseconde.
L’apprentissage de certains des principaux codes de simulation actuels permettra aux étudiants d’utiliser la dynamique moléculaire pour le calcul de grandeurs structurelles, dynamiques et thermodynamiques, en lien avec des phénomènes de solvatation, de transport et aux interfaces pour des systèmes réalistes.
3. Plan du cours
Les bases de la dynamique moléculaire : intégrateurs, thermostats, conditions périodiques.
Modèles décrivant les structures et les interactions moléculaires : champs de force, interactions covalentes et non covalentes ; méthodes de chimie quantique.
Techniques et algorithmes : listes de voisins, interactions de longue portée, contraintes, etc.
Utilisation de codes tels que LAMMPS et Gromacs pour simuler des systèmes moléculaires et biomoléculaires.
Analyse de trajectoires et post-traitement.
Calcul de grandeurs énergétiques, structurelles et dynamiques.
4. Modalités d’examen
Contrôle continu sous forme de rapport écrit (50%) et examen oral sous forme de présentation de cas d’étude (50%).
5. Bibliographie
M.P. Allen, D.J. Tildesley, Computer simulation of liquids, 2 ed, Oxford University Press, 2017.
D. Frenkel, B. Smit, Understanding molecular simulation — From algorithms to applications, 2 ed, Elsevier, 2002.