Chimie et matériaux

Structure électronique

Les électrons d’une molécule ou d’un cristal, résolus à partir de la mécanique quantique pour obtenir formes, énergies et couleurs.

Question à laquelle elle répond: Cette molécule est-elle stable, et de quelle couleur est-elle ?

Laisse de côté : Le problème quantique exact à plusieurs électrons est insoluble, si bien que chaque méthode s’appuie quelque part sur une approximation.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire, de quelques heures à quelques jours par molécule ou cristal.Depuis : 1953 premiers calculs de Hartree-Fock exécutés sur certains des tout premiers ordinateurs.

Dynamique des réactions

Des liaisons qui se rompent et se forment pendant une réaction chimique, avec souvent le cœur réactif traité en mécanique quantique et l’environnement en mécanique classique.

Question à laquelle elle répond: Quel chemin la réaction suit-elle, et à quelle vitesse ?

Laisse de côté : La frontière entre le cœur quantique et l’environnement classique est un choix de modélisation, pas une vraie ligne.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire, des jours par réaction étudiée.Depuis : 1976 Le premier modèle de réaction combinant quantique et classique de Warshel et Levitt.

Criblage computationnel de matériaux

Des milliers de composés candidats calculés automatiquement, parfois avec des raccourcis appris, pour en trouver aux propriétés utiles.

Question à laquelle elle répond: Lequel de ces dix mille candidats ferait une meilleure batterie ou cellule solaire ?

Laisse de côté : Filtre les candidats selon des propriétés faciles à calculer, qui ne sont pas toujours celles qui comptent pour fabriquer le matériau.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un grand cluster, qui exécute des milliers de calculs en parallèle.Depuis : 2006 premiers calculs à haut débit qui criblent des matériaux candidats.

États excités et photochimie

Une molécule après absorption d’un photon, calculée pendant qu’elle se relaxe, se tord ou se brise sur une surface d’énergie différente de celle de son état fondamental.

Question à laquelle elle répond: Que fait cette molécule à l’instant qui suit l’absorption de lumière ?

Laisse de côté : Les méthodes d’états excités sont moins fiables que celles de l’état fondamental, et les moins coûteuses peuvent se tromper complètement.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire, de quelques heures à quelques jours par molécule.Depuis : 1984 premiers calculs de chimie quantique dépendants du temps de molécules excitées.

Prédiction spectroscopique

Les noyaux et les électrons d’une molécule calculés pour prédire où tomberont ses raies de résonance magnétique, d’infrarouge ou d’autres spectres, puis confrontés à un spectre mesuré.

Question à laquelle elle répond: Ce spectre calculé correspond-il à ce que l’instrument a réellement enregistré, ce qui confirme la structure ?

Laisse de côté : Devient nettement moins bon pour les atomes plus lourds et les molécules plus flexibles, qui comptent le plus en pratique.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par molécule.Depuis : 1974 premiers déplacements chimiques de résonance magnétique nucléaire calculés, comparés à des spectres mesurés.

Énergie libre de solvatation

Les électrons d’une molécule recalculés comme si elle baignait dans une approximation continue d’un solvant, pour obtenir l’énergie que coûte ou libère sa dissolution.

Question à laquelle elle répond: Avec quelle facilité cette molécule se dissoudra-t-elle, et le solvant change-t-il sa façon de réagir ?

Laisse de côté : Remplace le solvant par un champ moyen lisse, en omettant des interactions précises comme une liaison hydrogène avec une molécule d’eau donnée à un endroit critique.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, de quelques minutes à quelques heures par molécule.Depuis : 1981 premiers modèles continus de solvatation ajoutés aux calculs de chimie quantique.

Potentiels interatomiques appris par apprentissage automatique

Un réseau de neurones est ajusté sur des énergies de structure électronique, puis pilote une dynamique moléculaire à une précision proche du quantique pour un coût classique.

Question à laquelle elle répond: Peut-on obtenir des forces de niveau quantique pour des millions d’atomes sur des nanosecondes ?

Laisse de côté : La précision se limite aux chimies et aux géométries de l’ensemble d’entraînement.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif Entraînement sur des milliers de calculs quantiques, puis grande dynamique moléculaireDepuis : 2007 Generalized neural-network representation of high-dimensional potential-energy surfaces (2007) sourceDans l’arbre des simulations: Modèles de substitution appris

Potentiels interatomiques universels

Un seul réseau de neurones sur graphe, entraîné sur une grande base de données de matériaux, prédit énergies et forces pour la plus grande partie du tableau périodique.

Question à laquelle elle répond: Un seul modèle appris peut-il remplacer un potentiel ajusté séparé pour chaque matériau ?

Laisse de côté : La précision varie selon l’élément et lisse souvent la surface d’énergie potentielle.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif Entraînement sur des millions de structures, inférence peu coûteuseDepuis : 2022 A universal graph deep learning interatomic potential for the periodic table (2022) source

Chimie quantique sur ordinateurs quantiques

Un algorithme quantique variationnel prépare et mesure l’état électronique d’une molécule sur un appareil réel, un optimiseur classique réglant le circuit.

Question à laquelle elle répond: Un processeur quantique peut-il trouver l’énergie de l’état fondamental d’une petite molécule ?

Laisse de côté : Seulement de très petites molécules pour l’instant, avec un bruit qui domine l’erreur.

Tourne sur : aucun ordinateur. Matériel quantique ; vérifications classiques à petite tailleDepuis : 2014 A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor (2014) source

Dynamique moléculaire ab initio

Des atomes qui se déplacent dans le temps, avec des forces recalculées à partir des électrons à chaque pas, si bien que les liaisons se rompent et se forment sans champ de forces préétabli.

Question à laquelle elle répond: Comment les atomes bougent-ils et se lient-ils quand leurs forces viennent directement de la mécanique quantique ?

Laisse de côté : On ne peut suivre que des centaines d’atomes pendant des picosecondes, et les erreurs de la théorie de la fonctionnelle de la densité s’insinuent dans chaque force.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif des centaines d’atomes pendant des dizaines de picosecondes sur une grande allocation.Depuis : 1985 L’approche unifiée de la dynamique moléculaire et de la théorie de la fonctionnelle de la densité de Car et Parrinello. sourceDans l’arbre des simulations: Dynamique moléculaire ab initio

Dynamique moléculaire par intégrale de chemin

Des noyaux atomiques traités comme des objets quantiques en représentant chacun par un anneau de copies liées, si bien que l’effet tunnel et le mouvement de point zéro déplacent les liaisons hydrogène et la diffusion.

Question à laquelle elle répond: De combien les effets quantiques de l’hydrogène modifient-ils le comportement de l’eau et de la glace ?

Laisse de côté : Le comportement quantique en temps réel n’est pas retrouvé, seulement l’équilibre et des propriétés dynamiques approchées.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif des dizaines de copies par atome multiplient le coût de la dynamique classique.Depuis : 1984 La simulation par intégrale de chemin d’un électron piégé dans un sel fondu, par Parrinello et Rahman. source

Dynamique électronique en temps réel

Le nuage d’électrons d’une molécule ou d’un cristal suivi dans le temps quand une impulsion lumineuse le frappe, pour trouver les spectres d’absorption et la réponse ultrarapide.

Question à laquelle elle répond: Comment les électrons réagissent-ils pendant les premières femtosecondes après l’arrivée de la lumière ?

Laisse de côté : La fonctionnelle approchée d’échange-corrélation manque certaines excitations, et les ions sont en général figés.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif une exécution de théorie de la fonctionnelle de la densité par pas de temps, sur plusieurs milliers de pas.Depuis : 1996 L’approximation de densité locale dépendante du temps en temps réel de Yabana et Bertsch. source

Dynamique de paquets d’ondes quantiques

Les noyaux d’une petite molécule traités comme une onde quantique qui se déplace sur la surface d’énergie, pour suivre exactement réaction, effet tunnel et vibration.

Question à laquelle elle répond: Comment une molécule vibre-t-elle et réagit-elle quand ses noyaux obéissent à la mécanique quantique ?

Laisse de côté : Le coût croît fortement avec le nombre d’atomes, si bien que seules de petites molécules sont traitables.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif propagation multiconfigurationnelle pour des dizaines de degrés de liberté.Depuis : 1990 L’approche de Hartree multiconfigurationnelle dépendant du temps de Meyer, Manthe et Cederbaum. source

Recherche d’états de transition et de chemins réactionnels

Le chemin de plus basse énergie entre deux arrangements d’atomes, trouvé en relaxant une chaîne d’images intermédiaires, pour obtenir barrières et vitesses de réaction.

Question à laquelle elle répond: Quelle barrière les atomes doivent-ils franchir quand une molécule ou un défaut change de forme ?

Laisse de côté : Il trouve des chemins qui existent près de l’hypothèse de départ et peut manquer la vraie barrière la plus basse.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif chaque image exige un calcul de structure électronique, répété le long de la chaîne.Depuis : 1998 La méthode de la bande élastique poussée (nudged elastic band) de Jonsson, Mills et Jacobsen pour les chemins d’énergie minimale. source

Génération automatique de mécanismes réactionnels

Des règles engendrent toutes les réactions que peut subir un ensemble de molécules, puis un modèle de vitesse les élague jusqu’à un mécanisme de combustion ou de pyrolyse.

Question à laquelle elle répond: Quelles réactions comptent quand un combustible brûle ou se décompose ?

Laisse de côté : Les coefficients de vitesse sont estimés à partir de règles de groupe, et les voies peu courantes sont peu testées.

Tourne sur : environ 10⁸ FLOPS approximatif croissance de réseaux sur des milliers d’espèces, plus des simulations cinétiques.Depuis : 1994 La modélisation de pyrolyse générée par ordinateur, avec génération à la volée des espèces et des réactions, par Broadbelt, Stark et Klein. source

Monte Carlo quantique pour les électrons

Des marcheurs aléatoires échantillonnent directement la fonction d’onde à plusieurs électrons, ce qui donne des énergies quasi exactes de molécules et de solides sans l’approximation de la fonctionnelle de la densité.

Question à laquelle elle répond: Quelle est l’énergie exacte de ce système d’électrons, comme référence pour des méthodes moins coûteuses ?

Laisse de côté : Le problème du signe des fermions est évité en fixant les nœuds de la fonction d’onde, ce qui fait dépendre la réponse de cette hypothèse.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif des millions d’heures-cœur pour un cristal moléculaire.Depuis : 1980 Le calcul stochastique de l’état fondamental du gaz d’électrons par Ceperley et Alder. source

Fonctionnelles de la densité apprises

Un modèle d’apprentissage automatique associe la densité électronique à l’énergie, à la place des approximations construites à la main de la théorie de la fonctionnelle de la densité.

Question à laquelle elle répond: Une fonctionnelle ajustée peut-elle battre celles conçues à la main que les chimistes utilisent depuis des décennies ?

Laisse de côté : La fonctionnelle ajustée n’est fiable que pour les types de molécules et de conditions représentés dans ses données d’entraînement.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif entraînement sur des énergies de référence de haute précision, puis un calcul de structure électronique de coût standard.Depuis : 2012 Les fonctionnelles de la densité apprises par machine de Snyder, Rupp, Hansen, Müller et Burke pour un système modèle. source

Fonctions d’onde à réseaux de neurones pour les molécules

Un réseau de neurones sert de fonction d’onde à plusieurs électrons d’une molécule et est entraîné par Monte Carlo variationnel pour atteindre des énergies quasi exactes.

Question à laquelle elle répond: Avec quelle précision une fonction d’onde apprise peut-elle décrire les électrons d’une petite molécule ?

Laisse de côté : Le coût grimpe fortement avec le nombre d’électrons, si bien que seules de petites molécules ont été atteintes.

Tourne sur : environ 10¹⁸ FLOPS approximatif des jours sur des dizaines de GPU pour une molécule.Depuis : 2019 FermiNet de Pfau et ses collègues, une solution par réseau de neurones profond de l’équation de Schrödinger à plusieurs électrons. source

Liquides et solutions

L’eau et d’autres liquides comme des millions de molécules en interaction, avec des solutés dissous.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi l’eau présente-t-elle des propriétés anormales, et comment le sel se dissout-il ?

Laisse de côté : Le champ de forces entre atomes est ajusté sur un petit ensemble de propriétés et rien ne garantit qu’il reproduise le reste.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un GPU de bureau ; des milliards de pas de molécules par seconde.Depuis : 1964 La dynamique moléculaire de l’argon liquide de Rahman ; l’eau a suivi avec Rahman et Stillinger en 1971

Polymères et matière molle

Des molécules à longue chaîne, des gels, des mousses et des cristaux liquides, généralement simplifiés en billes.

Question à laquelle elle répond: Comment un plastique s’étire-t-il, et comment un gel prend-il ?

Laisse de côté : Le passage à gros grains écarte le mouvement atomique rapide, si bien que le rythme de certains processus n’est qu’approximatif.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un GPU de bureau ou un petit cluster, quelques heures par système.Depuis : 1962 Le premier modèle Monte-Carlo sur réseau d’une chaîne de polymère, de Verdier et Stockmayer.

Combustion

Des flammes comme un écoulement de fluide couplé à des centaines de réactions chimiques.

Question à laquelle elle répond: Comment brûler le carburant plus proprement, ou empêcher un moteur de cliqueter ?

Laisse de côté : Des centaines de vraies réactions sont réduites aux quelques dizaines qu’un ordinateur peut suivre à chaque pas.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un grand cluster, des jours pour un cycle moteur complet.Depuis : 1955 premières solutions numériques des équations de flamme laminaire.

Colloïdes et assemblage de nanoparticules

Des milliers de nanoparticules ou de grains colloïdaux animés par les fluctuations thermiques du fluide environnant, qui adhèrent, s’ordonnent ou s’agrègent en se heurtant.

Question à laquelle elle répond: Ces particules s’auto-assembleront-elles en une structure ordonnée, ou s’agrégeront-elles de façon désordonnée ?

Laisse de côté : Les détails du revêtement de surface d’une particule influent fortement sur le résultat et sont généralement réduits à un seul paramètre d’adhésion.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ou un GPU de bureau, quelques heures par exécution d’assemblage.Depuis : 1986 premières simulations de dynamique brownienne de particules colloïdales en suspension.

Formation du verre

Un liquide refroidi si vite en simulation que ses molécules se figent en un solide désordonné avant de pouvoir cristalliser.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi ce liquide gèle-t-il en un verre désordonné plutôt qu’en un cristal ordonné ?

Laisse de côté : Le refroidissement simulé est toujours bien plus rapide, de plusieurs ordres de grandeur, que tout refroidissement réel d’un verre.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un GPU de bureau ou un petit cluster, de quelques heures à quelques jours par exécution.Depuis : 1976 premières simulations de dynamique moléculaire d’un liquide trempé en verre.

Sels fondus et liquides ioniques

Des ions plutôt que des molécules neutres, qui interagissent par de fortes forces de Coulomb dans un liquide sans aucun solvant.

Question à laquelle elle répond: Dans quelle mesure ce liquide conduit-il la charge, et comment ses ions se déplacent-ils ?

Laisse de côté : Les fortes forces électrostatiques entre ions sont plus difficiles à capter dans un champ de forces que celles des molécules neutres, et ne sont souvent qu’approximées.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un GPU de bureau ou un petit cluster, quelques heures par liquide étudié.Depuis : 1983 premières simulations de dynamique moléculaire d’un sel fondu.

Dynamique à champ de forces réactif

Dynamique moléculaire avec des potentiels d’ordre de liaison qui laissent les liaisons se former et se rompre pendant l’exécution, à un coût bien inférieur aux méthodes quantiques.

Question à laquelle elle répond: Comment les liaisons se rompent-elles et se forment-elles dans des milliers d’atomes en quelques nanosecondes ?

Laisse de côté : Les paramètres sont ajustés pour chaque chimie, et les électrons ne sont pas traités explicitement.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif Des millions d’atomes pendant des nanosecondesDepuis : 2001 ReaxFF: a reactive force field for hydrocarbons (2001) source

Métadynamique et échantillonnage amélioré

Une dynamique moléculaire où un biais dépendant de l’historique pousse le système hors des minima locaux, pour cartographier les événements rares et les surfaces d’énergie libre.

Question à laquelle elle répond: Quelle est la hauteur des barrières entre des états que la dynamique simple ne franchit jamais ?

Laisse de côté : Le résultat dépend du choix de bonnes variables collectives.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif De nombreuses trajectoires biaisées sur quelques variables choisiesDepuis : 2002 Escaping free-energy minima (2002) source

Échantillonneurs d’équilibre appris

Un réseau génératif est entraîné à tirer des configurations moléculaires indépendantes de la distribution de Boltzmann, ce qui évite de longues trajectoires.

Question à laquelle elle répond: Peut-on échantillonner directement les états rares d’une molécule plutôt que de les attendre ?

Laisse de côté : La dynamique et la cinétique sont perdues, et l’entraînement est difficile pour les grands systèmes.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif Entraînement plus repondérationDepuis : 2018 Boltzmann Generators: sampling equilibrium states of many-body systems with deep learning (2018) source

Monte Carlo cinétique

Des atomes qui sautent sur une surface ou dans un cristal, choisis au hasard avec des probabilités fixées par leurs taux, si bien qu’on atteint des processus qui durent des secondes ou des heures.

Question à laquelle elle répond: Comment une surface ou un cristal évolue-t-il sur les longues durées entre les sauts atomiques ?

Laisse de côté : Chaque événement possible et son taux doivent être listés à l’avance, si bien que les mécanismes surprenants sont manqués.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif des millions d’événements, avec des taux calculés d’avance à partir des premiers principes.Depuis : 1975 L’algorithme Monte Carlo piloté par événements de Bortz, Kalos et Lebowitz pour les systèmes de spins d’Ising. source

Dynamique moléculaire à gros grains

Des groupes de plusieurs atomes fusionnés en une seule bille, pour suivre sur des microsecondes, dans de plus grandes boîtes, des membranes, des polymères et des lipides qui s’auto-assemblent.

Question à laquelle elle répond: Comment de grands assemblages moléculaires se forment-ils sur des microsecondes ?

Laisse de côté : Fusionner des atomes fait perdre des détails comme la directionnalité des liaisons hydrogène, et le temps n’est pas strictement physique.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif des millions de billes sur des microsecondes.Depuis : 2007 Le champ de forces à gros grains de Marrink et ses collègues pour les simulations biomoléculaires. source

Dynamique de particules dissipatives

Des billes molles qui représentent des paquets de fluide interagissent avec frottement et chocs aléatoires, ce qui donne une hydrodynamique correcte pour les polymères et les colloïdes à grande échelle.

Question à laquelle elle répond: Comment les fluides de polymères et de tensioactifs s’écoulent-ils et s’auto-organisent-ils aux échelles mésoscopiques ?

Laisse de côté : Les potentiels mous permettent aux chaînes de se croiser de façon non physique, sauf correction.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif des millions de billes sur de longues durées.Depuis : 1992 La simulation de phénomènes hydrodynamiques microscopiques par dynamique de particules dissipatives, de Hoogerbrugge et Koelman. source

Méthodes d’énergie libre à échantillonnage amélioré

Des simulations poussées à franchir de hautes barrières, par exemple en ajoutant un biais dépendant de l’historique, pour calculer les événements rares et les paysages d’énergie libre.

Question à laquelle elle répond: Quel est le coût en énergie libre d’un changement rare, comme la nucléation ou la liaison ?

Laisse de côté : La réponse dépend du choix des variables collectives, et l’absence de l’une d’elles donne un mauvais paysage.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif de longues simulations biaisées le long de variables choisies.Depuis : 2002 La métadynamique de Laio et Parrinello pour échapper aux minima d’énergie libre. source

Adsorption dans les matériaux poreux

Des molécules de gaz insérées et retirées au hasard dans un modèle de solide poreux, pour prédire combien une zéolithe ou un matériau à charpente adsorbera.

Question à laquelle elle répond: Quelle quantité de gaz un matériau poreux retient-il à une pression donnée ?

Laisse de côté : Les approximations à cadre rigide et à charge fixe jugent mal les matériaux flexibles.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif des millions d’insertions par point d’état, des milliers de structures.Depuis : 1975 La méthode de Monte Carlo en ensemble grand-canonique d’Adams pour un fluide de Lennard-Jones. source

Théorie du champ autocohérent des polymères

Des chaînes remplacées par un champ de densité qui subit sa propre attraction moyenne, si bien que les copolymères à blocs et les mélanges peuvent être résolus pour leurs motifs ordonnés sans suivre les chaînes une à une.

Question à laquelle elle répond: Quel motif un copolymère à blocs formera-t-il en s’auto-assemblant ?

Laisse de côté : La théorie du champ moyen ignore les fluctuations, qui comptent près des frontières de phase.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif résolution d’équations de diffusion sur une grille en trois dimensions.Depuis : 1965 La mécanique statistique des polymères à volume exclu d’Edwards. source

Monte Carlo à croissance de chaînes pour les polymères

De longues chaînes moléculaires construites une liaison à la fois avec des poids, pour mesurer leur taille, leur entropie et leur comportement de volume exclu.

Question à laquelle elle répond: Quelle est la taille d’une longue chaîne flexible, et pourquoi ne se croise-t-elle pas elle-même ?

Laisse de côté : Les poids croissent de façon inégale avec la longueur de chaîne, si bien que les très longues demandent des astuces de rééchantillonnage.

Tourne sur : environ 10⁹ FLOPS approximatif des millions de chaînes, bien moins cher que la dynamique.Depuis : 1955 Le calcul Monte Carlo de Rosenbluth et Rosenbluth sur l’extension moyenne de chaînes moléculaires. source

Magnétisme et transitions de phase

Des spins sur un réseau s’inversent au hasard, le modèle d’Ising classique et ses descendants, utilisés pour étudier comment l’ordre apparaît à une température critique.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi un aimant perd-il son magnétisme à une température précise ?

Laisse de côté : Un vrai aimant a des détails de forme et d’impuretés que le réseau idéalisé omet par construction.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un ordinateur portable ; des milliards de basculements de spin par seconde.Depuis : 1953 la méthode Monte-Carlo d’acceptation-rejet de Metropolis, devenue ensuite l’outil standard pour les modèles de spins ; l’article de 1953 simulait lui-même des disques durs sourceDans l’arbre des simulations: Algorithme de Metropolis

Lancer le modèle interactif

Rupture et défauts

Les atomes à la pointe d’une fissure, et les défauts qui permettent aux métaux de plier au lieu de se briser.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi ce matériau se fissure-t-il au lieu de plier ?

Laisse de côté : La pointe d’une fissure, large de quelques atomes seulement, doit pourtant représenter une fissure qui traverse toute une poutre.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un GPU de bureau ou un petit cluster, quelques heures par exécution de fissure.Depuis : 1976 La première simulation de dynamique moléculaire d’une pointe de fissure par Ashurst et Hoover.

Microstructure

Des grains cristallins qui se forment et grossissent quand un métal se solidifie ou subit un traitement thermique, souvent avec la méthode du champ de phase.

Question à laquelle elle répond: Quel traitement thermique donne l’alliage le plus résistant ?

Laisse de côté : Les joints de grains sont traités comme des surfaces mathématiques lisses, et non comme les défauts désordonnés qu’ils sont en réalité.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par alliage en solidification.Depuis : 1991 Le premier modèle de champ de phase d’une microstructure en croissance par Chen et Khachaturyan.

Matériaux granulaires

Du sable, des grains, des poudres et des pilules sous forme de millions de particules individuelles qui entrent en collision et se bloquent.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi le silo se bloque-t-il, et comment une avalanche commence-t-elle ?

Laisse de côté : Les vrais grains sont rugueux et irréguliers ; les grains simulés sont presque toujours des sphères idéalisées.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un GPU de bureau ou un petit cluster, des millions de grains à la fois.Depuis : 1979 Le premier modèle d’éléments discrets de particules granulaires de Cundall et Strack.

Lancer le modèle interactif

Dynamique des dislocations

Des défauts linéaires qui traversent le réseau d’un cristal, suivis pendant qu’ils se déplacent, se multiplient et s’enchevêtrent, pour produire une déformation permanente en flexion ou en étirement.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi ce métal plie-t-il au lieu de rompre, et quelle est vraiment sa résistance ?

Laisse de côté : Traite les dislocations comme des lignes nettes dans un cristal par ailleurs parfait, alors que les vrais métaux sont pleins d’autres défauts avec lesquels elles interagissent.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, de quelques heures à quelques jours par exécution.Depuis : 1990 premières simulations de dynamique de dislocations discrètes de la plasticité cristalline.

Croissance de couches minces

Des atomes qui arrivent un à un sur une surface et s’y collent, y sautent ou s’enfouissent les uns les autres, à mesure qu’un film se forme couche après couche.

Question à laquelle elle répond: Cette couche mince croîtra-t-elle lisse, ou rugueuse et pleine de défauts ?

Laisse de côté : Les vraies chambres de dépôt ont de la contamination et un écoulement inégal qu’un flux idéalisé d’atomes ne comprend pas.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ; quelques heures par film simulé.Depuis : 1966 premiers modèles Monte Carlo cinétiques d’atomes qui arrivent sur une surface en croissance.

Cascades de dommages d’irradiation dans les matériaux

Un atome rapide projeté dans un cristal, suivi pendant qu’il déplace ses voisins et laisse des lacunes, pour prédire comment les métaux irradiés se dégradent.

Question à laquelle elle répond: Combien d’atomes un seul impact arrache-t-il à un cristal ?

Laisse de côté : Les défauts évoluent ensuite pendant des années, bien au-delà de la cascade, et il faut d’autres méthodes pour combler l’écart.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif des millions d’atomes pendant des dizaines de picosecondes, répétés pour de nombreuses directions d’impact.Depuis : 1960 La dynamique des dommages d’irradiation dans un réseau de cuivre de Gibson, Goland, Milgram et Vineyard. source

Expansion en amas des alliages

L’énergie d’un alliage écrite comme une somme sur de petits amas d’atomes voisins, si bien que l’ordre et le diagramme de phases peuvent être échantillonnés par Monte-Carlo.

Question à laquelle elle répond: Quels arrangements d’atomes un alliage préfère-t-il, et quand s’ordonne-t-il ?

Laisse de côté : Le développement est fixé à un réseau donné et peut manquer des contributions vibrationnelles et magnétiques.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif des centaines d’énergies de premiers principes, puis un Monte Carlo sur réseau peu coûteux.Depuis : 1984 La description par amas généralisés des systèmes multicomposants de Sanchez, Ducastelle et Gratias. source

Modélisation par éléments finis de la plasticité cristalline

Des grains de métal qui se déforment par glissement sur des plans cristallins précis, avec leurs orientations individuelles, pour prédire la résistance, la texture et le comportement au formage.

Question à laquelle elle répond: Comment l’orientation des cristaux décide-t-elle de la façon dont un métal plie et durcit ?

Laisse de côté : Les lois d’écrouissage sont ajustées sur des essais et n’ont aucune mémoire des dislocations individuelles.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif des modèles par éléments finis de milliers de grains.Depuis : 1982 L’analyse de Peirce, Asaro et Needleman sur la déformation non uniforme et localisée dans les monocristaux ductiles. source

Simulation micromagnétique

La direction de l’aimantation dans un aimant, discrétisée en cellules, avec échange, anisotropie et champs parasites, pour suivre la formation et le basculement des domaines.

Question à laquelle elle répond: Comment l’aimantation d’un nanoaimant bascule-t-elle ?

Laisse de côté : La température est traitée grossièrement, et les cellules plus grandes que la longueur d’échange perdent en détail.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif des exécutions aux différences finies avec des millions de cellules.Depuis : 1988 L’étude micromagnétique tridimensionnelle des processus d’aimantation dans des cubes ferromagnétiques de Schabes et Bertram. source

Transport de charge dans les semi-conducteurs organiques

Des électrons ou des trous qui sautent entre des molécules désordonnées, simulés par des marches aléatoires pour prédire la mobilité dans l’électronique plastique.

Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse les charges se déplacent-elles dans un matériau organique désordonné ?

Laisse de côté : Les taux de saut sont des formes supposées et la morphologie est idéalisée.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif des sauts Monte Carlo sur de grands réseaux.Depuis : 1993 La simulation Monte Carlo du transport de charges dans des photoconducteurs organiques désordonnés par Bässler. source

Calcul de la conductivité thermique du réseau cristallin

La chaleur transportée par les vibrations du réseau cristallin, avec leurs taux de diffusion calculés à partir des premiers principes, pour prédire la conductivité thermique d’un cristal sans ajustement.

Question à laquelle elle répond: Dans quelle mesure un cristal conduit-il la chaleur, à partir des seuls atomes ?

Laisse de côté : Les matériaux fortement anharmoniques et désordonnés demandent un traitement supplémentaire.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif des milliers de calculs de forces dans une supermaille.Depuis : 2007 La conductivité thermique intrinsèque du réseau des semi-conducteurs à partir des premiers principes, par Broido, Malorny, Birner, Mingo et Stewart. source

Agrégation limitée par la diffusion

Des particules qui errent au hasard jusqu’à se coller à un amas en croissance, ce qui produit des fractales ramifiées comme les dendrites et les dépôts minéraux.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi des marcheurs aléatoires font-ils pousser des amas fractals ramifiés ?

Laisse de côté : Il ne modélise qu’une seule règle de croissance idéalisée, sans énergie de surface ni chimie.

Tourne sur : environ 10⁸ FLOPS approximatif des millions de marcheurs sur un réseau.Depuis : 1981 L’agrégation limitée par la diffusion de Witten et Sander, un phénomène critique cinétique. source

Modèles génératifs de cristaux

Un modèle de diffusion ou variationnel, entraîné sur des cristaux connus, propose de nouvelles structures périodiques, qui sont ensuite vérifiées et relaxées par des calculs de mécanique quantique.

Question à laquelle elle répond: Un modèle peut-il imaginer de nouveaux matériaux stables plutôt que de passer au crible des matériaux connus ?

Laisse de côté : La plupart des structures proposées sont instables ou infabricables, et le modèle ne sait comment en synthétiser aucune.

Tourne sur : environ 10¹⁸ FLOPS approximatif des semaines d’entraînement GPU, puis une chaîne de vérifications de structure électronique.Depuis : 2021 L’autoencodeur variationnel de diffusion cristalline de Xie et ses collègues pour la génération de matériaux périodiques. source

Catalyse

Une molécule en réaction qui se fixe à la surface d’un catalyseur, calculée pas à pas pour trouver le chemin qui abaisse l’énergie nécessaire à la réaction.

Question à laquelle elle répond: Quelle surface, et quel arrangement d’atomes sur elle, accélère le plus cette réaction ?

Laisse de côté : Les vrais catalyseurs ont des défauts, des poisons et un vieillissement qu’une surface de modèle propre et parfaite n’a jamais à affronter.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire, des jours par surface de catalyseur candidate.Depuis : 1995 premiers calculs quantiques qui cartographient un chemin de réaction sur la surface d’un catalyseur.

Modélisation des batteries et des cellules électrochimiques

Une batterie ou une pile à combustible entière, avec ses électrodes, son électrolyte et ses interfaces, modélisée d’un bloc à travers la charge, la décharge et l’échauffement sur de nombreux cycles.

Question à laquelle elle répond: Combien de cycles cette cellule survivra-t-elle avant de se dégrader, et jusqu’à quelle température montera-t-elle ?

Laisse de côté : La dégradation sur des années d’usage réel est encore surtout extrapolée à partir de brefs essais accélérés, pas directement simulée.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par test de cyclage simulé.Depuis : 1975 premiers modèles mathématiques de la charge et de la décharge d’une électrode de batterie.

Corrosion

Une surface métallique qui perd des atomes à cause d’une réaction électrochimique avec son milieu, suivie pendant qu’elle se pique, s’amincit ou forme une couche protectrice.

Question à laquelle elle répond: Combien de temps ce métal tiendra-t-il avant d’être percé par la corrosion ?

Laisse de côté : La vraie corrosion dépend fortement de la contamination locale, des rayures de surface et des courants vagabonds qu’un modèle idéal omet.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ; quelques heures par scénario de corrosion.Depuis : 1970 premiers modèles informatiques de piqûres et de corrosion électrochimique.

Cristallisation

Des molécules ou des ions d’une solution sursaturée qui se trouvent et se verrouillent dans un réseau cristallin en croissance, pour prédire comment un composé cristallisera.

Question à laquelle elle répond: Quelle forme et quelle taille de cristaux ce procédé produira-t-il réellement ?

Laisse de côté : La nucléation, la toute première formation d’un amas, se déroule à une échelle et à une vitesse encore trop rapides pour être observées ou calculées directement en totalité.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par lot simulé.Depuis : 1988 premiers modèles calculés de nucléation et de croissance à partir d’une solution sursaturée.

Génie des réacteurs chimiques

Écoulement de fluide, mélange, chaleur et des centaines d’étapes réactionnelles dans une cuve industrielle, modélisés ensemble pour prédire la quantité de produit obtenue.

Question à laquelle elle répond: Cette conception de réacteur mélangera-t-elle et refroidira-t-elle assez vite pour obtenir une réaction propre et sûre ?

Laisse de côté : Passer d’un petit réacteur d’essai à un réacteur industriel complet fait encore perdre de la précision, ce que les ingénieurs corrigent par l’expérience.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire ou industriel, des jours par conception étudiée.Depuis : 1970 premiers modèles de dynamique des fluides numérique d’un réacteur chimique industriel.

Cinétique de polymérisation

De petites molécules s’enchaînent une étape de réaction à la fois en longues chaînes, suivies pour prédire jusqu’où elles croissent et quelle uniformité elles atteignent.

Question à laquelle elle répond: Quelle sera la longueur des chaînes de polymère, et avec quelle variation ?

Laisse de côté : Les réactions secondaires qui ramifient ou terminent tôt les chaînes sont généralement simplifiées en quelques taux moyens.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un ordinateur portable ; une simulation complète d’un lot prend quelques minutes.Depuis : 1968 premiers modèles cinétiques calculés d’une polymérisation par croissance de chaînes.

Modélisation de la membrane et du transport dans les piles à combustible

Eau, protons et gaz qui traversent la membrane et les électrodes d’une pile à combustible, pour prédire les performances et quand elle s’assèche ou se noie.

Question à laquelle elle répond: Comment l’eau et la charge se déplacent-elles dans la membrane d’une pile à combustible ?

Laisse de côté : Le transport membranaire repose sur des lois ajustées, et l’eau liquide dans les pores est difficile à modéliser.

Tourne sur : environ 10¹⁰ FLOPS approximatif modèles cellulaires en deux ou trois dimensions, légers sur un poste de travail.Depuis : 1991 Le modèle de pile à combustible à électrolyte polymère de Springer, Zawodzinski et Gottesfeld. source

Modélisation par réseaux de pores

Une roche poreuse ou une électrode réduite à un réseau de pores et de gorges, que le fluide envahit pas à pas, pour prédire l’écoulement et le comportement capillaire.

Question à laquelle elle répond: Comment un fluide remplit-il un matériau poreux et s’y déplace-t-il ?

Laisse de côté : Les vraies formes de pores sont simplifiées en tubes et en sphères.

Tourne sur : environ 10¹⁰ FLOPS approximatif des réseaux jusqu’à des millions de pores, peu coûteux comparés à l’écoulement direct.Depuis : 1956 Le modèle de réseau des milieux poreux de Fatt. source