Pour la partie consacrée à la chimie quantique :
Les étudiants sont initiés à des concepts et méthodes avancés de chimie théorique, puis à la modélisation et aux simulations assistées par ordinateur, notamment à travers les liens avec différents algorithmes informatiques. Un aspect essentiel du cours est de permettre aux étudiants de comprendre le rôle des paramètres d’entrée nécessaires à la réalisation des calculs. Parmi les thèmes abordés figurent notamment la détermination des propriétés moléculaires et des propriétés de la matière condensée, l’étude de la réactivité moléculaire ainsi que différents aspects de la corrélation électronique.
Pour la partie modélisation moléculaire :
- comprendre les notions de champ de force
- se familairiser avec les techniques Monte Carlo et dynamique moléculaire
- se familiariser avec les techniques de simulations permettant de calculer l'énergie libre
- pouvoir comprendre les termes utilisés dans des articles scientifiques sur le sujet
- pouvoir avoir un regard critique sur un protocole de simulation
- pouvoir proposer un protocole de simulation adéquat pour modéliser un problème en chimie physique
Initier les étudiants aux concepts fondamentaux et techniques de base des méthodes de modélisation et simulation par ordinateur. Ils pourront comprendre l'influence des paramètres essentiels d'un programme de modélisation. Ils seront également initiés aux méthodes de détermination des propriétés moléculaires de même qu'aux techniques permettant la prise en compte de la corrélation électronique. L'objectif est également d'amener les étudiants à concevoir des protocoles de simulations numériques de sorte à répondre, de façon critique, à des questions de chimie.
Y. Olivier
1. Introduction aux simulations numériques
2. Énergie totale
3. Modèles moléculaires et simulations
4. Potentiels d’interaction intermoléculaire
5. Potentiels atomistiques et champs de force
6. Techniques de simulation
7. La dynamique moléculaire en pratique
8. Observables
9. Calcul de l'énergies libre / entropie
B. Champagne
Théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)
Introduction et densités dans les approches par fonction d'onde
Le modèle de Thomas-Fermi
Les théorèmes de Hohenberg et Kohn
L'approche de Kohn-Sham
4.A. Équation de Kohn-Sham
4.B. Fonctionnelles d'échange-corrélation (XC) et leur performance pour la détermination des géométries, des spectres vibrationnels, des propriétés optiques et des énergies d'interaction
4.C. Auto-interaction
4.D. DFT conceptuelle
Théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT)
5.A. Équations de la TDDFT
5.B. Schémas approximatifs de la TDDFT
5.C. Méthodes GW et BSE
5.D. Simulation des spectres d'absorption UV/vis et de dichroïsme circulaire (CD)
Y. Olivier
1. Introduction aux simulations numériques
2. Énergie totale
3. Modèles moléculaires et simulations
4. Potentiels d’interaction intermoléculaire
5. Potentiels atomistiques et champs de force
6. Techniques de simulation
7. La dynamique moléculaire en pratique
8. Observables
9. Calcul de l'énergies libre / entropie
B. Champagne
Théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)
Introduction et densités dans les approches par fonction d'onde
Le modèle de Thomas-Fermi
Les théorèmes de Hohenberg et Kohn
L'approche de Kohn-Sham
4.A. Équation de Kohn-Sham
4.B. Fonctionnelles d'échange-corrélation (XC) et leur performance pour la détermination des géométries, des spectres vibrationnels, des propriétés optiques et des énergies d'interaction
4.C. Auto-interaction
4.D. DFT conceptuelle
Théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT)
5.A. Équations de la TDDFT
5.B. Schémas approximatifs de la TDDFT
5.C. Méthodes GW et BSE
5.D. Simulation des spectres d'absorption UV/vis et de dichroïsme circulaire (CD)
Les différentes méthodes de prédiction et d'interprétation des propriétés moléculaires seront mises en oeuvre en utilisant des codes de chimie quantique et plus particulièrement le code GAMESS (http://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/). Des exemples simples seront fournis en guise d'illustration des cours successifs. Ref. M.W. Schmidt, K.K. Baldridge, J.A. Boatz, S.T. Elbert, M.S. Gordon, J. Jensen, S. Koseki, N. Matsunaga, K.A. Nguyen, S. Su, T.L. Windus,Chem. 14, 1347 (1993) and Gaussian16
Diverses techniques vues au cours "Modélisation Moléculaire" sont illustrées lors des TPs.
Pour la partie modélisation moléculaire :
Présentation du contenu par l'enseignant face à la classe
Deux séances de TPs seront réalisées et reprendront les concepts importants vus au cours
Pour la partie chimie quantique, le cours est divisé en trois sections:
A) Présentation du contenu (par l’enseignant)
1°) en mettant en évidence les aspects essentiels de la DFT et de la TDDFT ;
2°) en soulignant leurs points forts et leurs limites dans le contexte d’applications sélectionnées.
B) Pour chaque chapitre, des exercices simples seront proposés et leur résolution pourra être réalisée à l’aide des ressources informatiques de la PTCI.
C) Réalisation d’un mini-projet, faisant appel à l’application de la DFT/TDDFT.
Pour la partie Modélisation Moléculaire, le mode d'évaluation peut consister en un examen écrit suivi d'un examen oral, portant sur l'ensemble de la matière. L'évaluation porte également sur les TPs (questions, présentations, calculs à effectuer, ...). La note de TP inclut, l'évaluation orale, la qualité du rapport écrit ainsi que l'implication durant les séances.
Aucune dispense de TP ne sera accordée si la note globale de la partie modélisation moléculaire est inférieure à la moyenne et/ou si l'examen n'a pas été présenté.
Pour la partie chimie quantique :
1°) 1/3 pour une présentation orale (10 minutes, 10 diapositives maximum) en fin de semestre portant sur une lecture critique d’une publication scientifique sur la DFT/TDDFT
2°) 2/3 pour l’examen écrit sur les aspects essentiels de la DFT et de la TDDFT, suivi d’une discussion orale (des questions seront posées sur les aspects méthodologiques de la DFT et de la TDDFT).
La note finale est la moyenne arithmétique entre les parties "chimie quantique" et "modélisation moléculaire". Si une des notes est inférieure à 10/20, la note finale sera au maximum de 9/20.
La non-remise des rapports demandés et la non-présentation d'une partie de l'évaluation globale de l'examen sera sanctionnée d'un 0/20.
Les lectures suggérées et/ou recommandées sont precisées lors des cours.
Ouvrages généraux
A. Szabo and N.S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry (MacMillan, New York), (1982). R.G. Parr and W. Yang, Density-Functional Theory of Atoms and Molecules, (Oxford University Press, Oxford, 1989). R. McWeeny, Methods of Molecular Quantum Mechanics, (Academic, San Diego, 1992). W. Koch and M.C. Holthausen, A Chemist's Guide to Density Functional Theory, (Wiley-VCH, Weinheim, 2001).
A. Leach Molecular Modelling: Principles and Applications 2nd Edition (Pearson Education (US))
| Formation | Programme d’études | Bloc | Crédits | Obligatoire |
|---|---|---|---|---|
| Master 120 en sciences physiques | Finalité didactique | 1 | 6 | Non |
| Master 60 en sciences chimiques | Standard | 1 | 6 | Oui |
| Master 120 en sciences chimiques | Finalité approfondie | 1 | 6 | Oui |
| Master 60 in Chemistry | Standard | 1 | 6 | Non |
| Master 120 en sciences physiques | Finalité spécialisée en physique et data | 1 | 6 | Non |
| Master 120 en sciences chimiques | Finalité didactique | 1 | 6 | Oui |
| Master 60 en sciences physiques | Standard | 1 | 6 | Non |
| Master 120 en sciences chimiques | Finalité spécialisée en chimie en entreprise | 1 | 6 | Oui |
| Master 120 en sciences physiques | Finalité spécialisée en physique du vivant | 1 | 6 | Non |
| Master 120 en sciences physiques | Finalité approfondie | 1 | 6 | Non |
| Master de spécialisation en nanotechnologie | Standard | 1 | 6 | Non |
| Master 120 en sciences physiques | Finalité didactique | 2 | 6 | Non |
| Master 120 en sciences physiques | Finalité spécialisée en physique et data | 2 | 6 | Non |
| Master 120 en sciences physiques | Finalité spécialisée en physique du vivant | 2 | 6 | Non |
| Master 120 en sciences physiques | Finalité approfondie | 2 | 6 | Non |