212 - Modélisation et simulations numériques multi-échelles en chimie: des sciences de la vie et de l’environnement au génie des matériaux

Les nanoparticules de polyphénylène éthynylène (PPE NPs) ont émergé comme une alternative prometteuse aux colorants fluorescents traditionnels pour les applications de bio-imagerie, en raison de leur grande photostabilité, de leur sensibilité et de leur biocompatibilité. Les méthodes computationnelles jouent un rôle essentiel dans l'avancement de notre compréhension des propriétés optiques des PPE NPs et de leurs relations structure-propriété. Dans cette étude, nous employons une combinaison de la théorie fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) et de simulations de dynamique moléculaire (MD) pour examiner les propriétés d'adsorption et d'émission des PPE NPs dans des environnements biologiques. La TDDFT fournit des informations précises sur les propriétés des états excités, tandis que les simulations MD capturent les interactions dynamiques des PPE NPs avec leur environnement. En intégrant ces approches computationnelles, nous visons à élucider les facteurs clés régissant le comportement photophysique des PPE NPs, contribuant ainsi à la conception rationnelle de nanomatériaux pour améliorer la performance en bio-imagerie. Les résultats de cette étude participent au développement de modèles prédictifs pour optimiser la réponse optique et la stabilité des NPs pour les applications de bio-imagerie.

Le Paysage Énergétique Potentiel (PEL) est un concept particulièrement utile pour décrire les transitions de phase, et en particulier la transition vitreuse (GT). Il représente une surface d’énergie où chaque point correspond à une configuration moléculaire possible. Les vallées (minima locaux) décrivent des états stables ou métastables, tandis que les sommets représentent les barrières énergétiques séparant ces états. Les minima moins profonds correspondent aux états vitreux, où les molécules sont piégées dans des configurations, tandis que les minima profonds représentent des configurations thermodynamiquement favorables. Le passage d'un état, soit la hauteur des barrières, est plus communément désigné par énergie d’activation, . À mesure que la température diminue, le système se retrouve piégé dans des minima énergétiques plus profonds, entraînant un ralentissement de la mobilité moléculaire et une vitrification, ce qui correspond à la GT. Bien que le PEL soit hautement multidimensionnel, il est proposé d’utiliser la dynamique moléculaire pour en donner une certaine description qui soit applicable à une représentation chimique de cette GT au sein des polymères.

Démocratiser les simulations et analyses moléculaires interactives grâce
à une plateforme portable clé en main

Les outils informatiques permettant de visualiser et manipuler des
structures moléculaires en temps réel représentent un potentiel
considérable pour accélérer la recherche et améliorer l'enseignement,
mais restent encore sous-exploités. Notre équipe a développé MolPlay,
une plateforme qui démocratise l'accès aux simulations et analyses
moléculaires interactives.

Je présenterai les tâches courantes de modélisation interactive -
assemblage, déformation, échantillonnage d'événements rares - et leurs
applications, notamment pour l'étude des membranes et protéines
membranaires. MolPlay fournit un environnement logiciel prêt à l'emploi
avec une collection d'exemples pratiques soigneusement sélectionnés.

La nature portable et autonome de MolPlay permet des déploiements
variés, de la vulgarisation à l'enseignement, en laboratoire de
recherche, et comme outil abordable de distribution de logiciels
scientifiques. Plusieurs tests ont démontré que MolPlay abaisse les
barrières d'accès aux approches interactives.

En consolidant plus d'une décennie d'expertise dans une plateforme
accessible, MolPlay représente une avancée significative vers une
adoption plus large de ces techniques computationnelles puissantes mais
sous-utilisées, tant dans l'éducation que dans la recherche.
 

Alejandro Rivero Santamaría¹, Samuel Del Fré¹, Gilberto A. Alou Angulo¹, Maxime Infuso¹, Denis Duflot¹, Céline Toubin¹ and Maurice Monnerville¹

¹Univ. Lille, CNRS, UMR 8523 – PhLAM – Physique des Lasers Atomes et Molécules, F-59000 Lille, France

Ce travail explore les avancées récentes dans la compréhension des mécanismes clés sous-jacents aux phénomènes moléculaires atmosphériques et astrophysiques. Notre investigation se concentre principalement sur les interactions gaz-surface, qui sont essentielles pour décrypter les processus complexes régissant les environnements terrestres et cosmiques.

Nous discutons des approches théoriques au cœur de ces études, en mettant l'accent sur l'intégration de méthodologies de pointe dans notre recherche. Une attention particulière est accordée à une stratégie combinée exploitant la Dynamique Moléculaire Ab Initio (AIMD) et les Surfaces d'Énergie Potentielle basées sur l'Apprentissage Automatique (ML-PESs). Cette approche a considérablement amélioré nos capacités analytiques, permettant une modélisation plus sophistiquée de ces systèmes complexes. Deux cas pratiques sont présentés : l'étude de la photodésorption sur des analogues de glace de CO et l'oxydation du NO sur des surfaces de graphite activé.