Simulations gros grains de systèmes complexes et forces d’interactions : du microscopique au mésoscopique

Coarse-grained simulations of complex systems and interaction forces : from microscopic to mesoscopic

• Auteur / Autrice : Sébastien Trément
• Direction : Bernard Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/09/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Manufacture française des pneumatiques Michelin
• Jury : Président / Présidente : Marie Jardat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Rousseau, Marie Jardat, Jörg Baschnagel, Guillaume Galliéro, Emmanuel Trizac, Benoît Schnell, Marc Couty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jörg Baschnagel, Guillaume Galliéro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Systèmes mésoscopiques

Viscosité

Mots clés libres

Coefficients de transport

Dynamique particulaire dissipative

Nivellement

Modèle mésoscopique

Transport coefficient

Dissipative particle dynamics

Coarse-graining

Mesoscopic models

Résumé

Un fondu de polymères est un liquide complexe constitué de chaînes macromoléculaires. Ces chaînes présentent la particularité d'offrir une distribution de temps caractéristiques extrêmement importante. L'ensemble de ces différentes échelles représente donc un défi pour la simulation numérique de polymères longs et sont bien au-delà des capacités des ordinateurs actuels. Un thème actuel de recherche porte donc sur le développement de modèles mésoscopiques (modèle gros grains). La construction d'un tel modèle consiste à éliminer les degrés de liberté rapide en regroupant un certain nombre d'atomes en un monomère. Ce monomère est représenté par une sphère molle évoluant dans un bain thermique créé par les degrés de liberté rapides éliminés au cours du processus de nivellement. La dynamique des particules créées est donc stochastique. La dynamique particulaire dissipative qui intègre ces idées est une combinaison de dynamique moléculaire, de Lattice Gas Automata ainsi que de dynamique Brownienne. Le champ de force DPD est constitué d'une interaction molle et d'un thermostat (force dissipative et bruit) et les paramètres de ce champ de force sont généralement calibrés sur des données expérimentales (compressibilité et diffusion). Cette approche est difficilement applicable aux mélanges de polymères. Pour surmonter cette difficulté, l'intégralité du champ de force DPD est construit à partir d'une dynamique moléculaire pour des corps purs ainsi que pour des mélanges. Nous montrons également que pour calculer correctement la force dissipative, la dynamique moléculaire doit être altérée en contraignant la position des monomères. Les coefficients de transport sont calculés par DPD et comparés à ceux obtenus par dynamique moléculaire. Ce travail s'achève par une étude de la transferabilité du champ de force du monomère vers toute une chaîne de polymères.

A molten polymer is a complex liquid consisting of macromolecular chains. These chains have many different time scales. All these scales present a real challenge to numerical simulations and exceed the computational capabilities of today's computers. A current topic of research therefore focuses on the development of mesoscopic models. The main idea behind coarse-graining is to eliminate fast degrees of freedom grouping atoms or molecules into clusters (or monomers). This monomer is represented by a soft sphere operating in a thermal bath generated by the fast degrees of freedom eliminated during the coarse-graining. Particle dynamics is therfore stochastic. Dissipative particle dyna-mics, which includes these ideas, is a combination of molecular dynamics, Lattice Gas Automata and Brownian dynamics. DPD force field consist of a soft interaction and a thermostat (dissipative and random force) and parameters of DPD interaction are generally optimized to match some macroscopic properties like compressibility or self-diffusion coefficient. This approach is difficult to apply to polymer melt. To overcome this problem, we apply an operational procedure available in the literature to the cons-truction of conservative and dissipative forces of DPD force field for pure substances and mixtures. We also show that in order to calculate the dissipative forces, the underlying molecular dynamics must be altered by constraining the position of the mo-nomers. Transport coefficients are calculated by DPD and compared with those obtained by molecular dynamics. This work concludes with a study of the transferability of the force field of the monomer to a chain of polymers.