Technique numérique qui fait évoluer les positions et moments de particules en intégrant des équations du mouvement (classiques ou issues d'un traitement ab initio) pour simuler l'évolution temporelle de systèmes à N corps et échantillonner propriétés dynamiques et thermodynamiques.

Principe

Faire évoluer le système en intégrant les forces newtoniennes ou issues de la structure électronique sur des pas de temps discrets : les interactions microscopiques engendrent des comportements temporels et statistiques macroscopiques ; des quantités conservées et des thermostats imposent des contraintes d'ensemble.

Démonstration

Simuler un fluide de Lennard-Jones à énergie fixe pour observer l'équilibrage et calculer des coefficients de transport ; ou exécuter une dynamique moléculaire ab initio où les forces proviennent de calculs électroniques à chaque pas pour étudier la rupture de liaisons.

Mauvaise application

Employer une dynamique moléculaire classique pour prédire des processus gouvernés par des transitions non adiabatiques électroniques ou par le tunneling nucléaire quantique sans correction, ou considérer les trajectoires MD comme des réalisations microscopiques uniques plutôt que comme des échantillons d'ensemble.

Conséquence

Fournit des trajectoires résolues dans le temps, des fonctions de corrélation et des estimations de moyennes thermodynamiques et coefficients de transport dans les échelles de temps et de longueur accessibles ; permet de tester des mécanismes microscopiques.

Inversion

Remplacer l'intégration temporelle explicite par un échantillonnage Monte Carlo de l'espace des configurations (sans dynamique) ou par des équations déterministes continues (hydrodynamique) qui perdent le détail atomistique.

Limite

Pertinent si les forces interatomiques et les échelles de temps sont correctement modélisées ; limité par les approximations du champ de force, les effets de coupure et de taille finie, et le temps de simulation accessible (typiquement nano–microsecondes en MD classique ; beaucoup plus court en MD ab initio) ; subsistent des incertitudes pour les événements rares et effets quantiques forts.

Tension sémantique

Tension entre la MD classique (efficace, forces empiriques) et la MD ab initio (forces précises, coûteuses), et entre les trajectoires déterministes MD et l'interprétation statistique d'ensemble.

Synthèse

La simulation de dynamique moléculaire est la réalisation computationnelle de l'évolution temporelle en many-body : intégrer les forces pour générer des trajectoires compatibles avec un ensemble statistique qui relient interactions microscopiques et propriétés dynamiques/thermodynamiques observables, dans les limites des modèles de force et des échelles accessibles.