Modèle d'eau - Définition

Introduction

Un modèle d'eau est défini par sa géométrie, ainsi que par d'autres paramètres comme les charges atomiques et les paramètres de Lennard-Jones.

En chimie numérique, les modèles d'eau classiques sont utilisés pour la simulation de l'eau et des solutions aqueuses (avec ce qu'on appelle un solvant explicite, par opposition aux modèles à solvants implicites). Ces modèles utilisent généralement les approximations de la mécanique moléculaire. De nombreux et différents modèles ont été proposés ; ils peuvent être classés en fonction du nombre de points employés pour définir le modèle (atomes plus sites spécifiques), de la rigidité ou de la flexibilité de la structure, ou encore de la prise en compte des effets de polarisation.

Les modèles simples : présentation

Les modèles d'eau les plus simples considèrent la molécule d'eau comme rigide et reposent sur les interactions non-liantes. L'interaction électrostatique est modélisée en utilisant la loi de Coulomb et les forces de dispersion et de répulsion en utilisant un potentiel de Lennard-Jones.

Les sites chargés peuvent se situer sur les atomes ou sur des sites spécifiques (comme les paires non-liées). Le terme de Lennard-Jones est typiquement appliqué de manière restreinte aux atomes d'oxygène.
La figure ci-dessous montre la forme générale des modèles d'eau de 3 à 6 sites. Les paramètres géométriques exactes (la longueur de la liaison OH et la valeur de l'angle HOH) sont variables selon le modèle.

Modèles à 4 sites

Les modèles à 4 sites situent la charge négative sur un pseudo-atome (noté M dans la figure) placé près de l'oxygène le long de la bissectrice de l'angle HOH. Cette disposition améliore a distribution de la charge électrostatique autour de la molécule d'eau. Le premier modèle à avoir utilisé cette approche fut le modèle de Bernal-Fowler publié en 1933, qui fut d'ailleurs aussi le premier modèle d'eau. Cependant, ce modèle ne reproduit pas correctement les propriétés massiques de l'eau, comme par exemple la densité et l'énergie de vaporisation, et il n'est donc que d'intérêt historique. C'est une conséquence directe de la méthode de paramétrisation choisie; des modèles plus récents, utilisant les techniques de calculs informatiques disponibles depuis, ont été paramétrés en utilisant des simulations de type Monte Carlo ou des simulations de dynamique moléculaire et ces paramètres ont été ajustés jusqu'à obtention d'une bonne reproduction des propriétés massiques.
Le modèle TIP4P, publié initialement en 1983, est très largement implémenté dans les codes de chimie numérique et est parfois utilisé pour les simulations de systèmes biomoléculaires. Il y a eu des reparamétrisations importantes du modèle TIP4P pour des usages spécifiques : le modèle TIP4P-Ew, pour des utilisations avec des méthodes de sommation d'Ewald; le TIP4P/Ice, pour les simulations d'eau solide (glace); et TIP4P/2005, une paramétrisation générale pour la simulation complète du diagramme de phases de l'eau.

Autres :

• TIP4PF (flexible)