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Accueil > FR > Recherche > Physico-Chimie Moléculaire Théorique > Modélisation Quantique des Systèmes (Structure Electronique et Dynamique Interne) > Développements méthodologiques

Champs de force polarisables

par Florent REAL - publié le , mis à jour le

Contacts : Florent Réal et Valérie Vallet

Dans le cadre de la recherche sur les propriétés des radionucléides, l’un des thèmes majeurs sur lesquels doivent se porter les efforts des groupes expérimentaux et théoriques est l’évaluation du risque radiologique dû aux actinides par la modélisation de leur migration et transfert dans le cycle biogéochimique naturel et jusqu’à l’homme. Ceci implique de développer des modèles décrivant leur comportement en phase aqueuse et condensée, ainsi qu’aux interfaces liquide-air et liquide-liquide.

Ces aspects font actuellement l’objet du développement de champs de forces à N-corps polarisables spécifiquement adaptés à la modélisation des interactions radionucléides-environnement. Notre objectif est ambitieux : si dans un premier temps nous souhaitons développer des modèles décrivant un ion solvaté et son interaction avec les contre-ions présents en solution ; à plus long terme ces modèles doivent aussi permettre d’aller plus loin et d’étudier des phénomènes aux interfaces liquide-liquide (pour la physico-chimie de la séparation des radionucléides), aux interfaces liquide/solide ou solide/air dans le cadre d’études sur la migration des radionucléides dans l’environnement. Ainsi la précision du modèle et sa transférabilité sont cruciales pour atteindre ce but. Toute la difficulté du développement des modèles réside dans la complexité des effets à N-corps.

Notre approche consiste à construire des champs de forces in silico indépendamment de toutes données expérimentales, mais en incluant tous les effets physiques présents dans les énergies d’interactions intermoléculaires à partir de calculs ab initio de référence réalisés pour un ensemble de systèmes moléculaires correspondant à différents agrégats représentatifs des interactions radionucléide-ligand. Les données structurelles et énergétiques sont calculées avec la meilleure précision possible par des méthodes de la chimie quantique ; typiquement, nous utilisons des méthodes incluant les effets relativistes scalaires et spin-orbite si nécessaire et traitons la corrélation électronique avec des méthodes de type MP2 et coupled-cluster. Ce niveau de calcul nous permet d’atteindre une précision de 0.005 Å pour les structures, et de 1 kcal/mol pour les énergies.

Le développement de ces nouveaux champs de force est mené depuis 2010 en collaboration avec M. Masella (CEA Saclay), M. Trumm (Intel, Versailles) et B. Schimmelpfennig (KIT, Karlsruhe), grâce à plusieurs financements des réseaux ACTINET et ACTINET-I3. Les propriétés statiques et dynamiques obtenues par ces simulations classiques sont confrontées directement aux expériences réalisées par nos collaborateurs des groupes de l’INE (Karlsruhe) et d’Argonne National Laboratory.