DU CINES

SOMMAIRECATALYSE HÉTÉROGÈNE SUR ZÉOLITHES-IONS

MÉTAUX : MODÉLISATION (DOROTHÉE BERTHOMIEU) 1-8

CINES ET ISSN : UNE SYMBIOSE

DES COMPÉTENCES (SOPHIE VINCENT) 9-10

FORTRAN 2003 (BERTRAND CIROU) 11-16

DEBUCI : DONNÉES DE LA BASE UNIVERSITAIRE

DES COOPÉRATIONS INTERNATIONALES

(RÉGIS RITZ, XAVIER LACOMBE) 17-18

N° 21 • 1ER JUILLET 2007

C e n t r e I n f o r m a t i q u e N a t i o n a l d e l ’ E n s e i g n e m e n t S u p é r i e u r

1- Catalyse pour l’environnement

La réduction de la pollution est devenue l’unedes préoccupations majeures des sociétés indus-trialisées. La Convention Cadre des Nations Uniessur les Changements Climatiques (CCNUCC)comporte ainsi des dispositions relatives à la com-munication des informations portant sur les émis-sions dans l’air ; à savoir, les émissions de gaz à effetde serre direct (CO2, CH4, N2O, HFC, CFC, SF6)

et à effet indirect (NOx, CO, COVNM, SO2). LeProtocole de Kyoto, adopté le 10 décembre 1997 etqui est entré en vigueur le 16 février 2005, préciseles engagements assignés à chaque état signataire. LaFrance et l’Union européenne l’ont approuvé le 31mai 2002. Un engagement de l’Europe à poursuivreson effort pour réduire fortement les émissions depolluants a été pris. Les oxydes d’azote NOx fontpartie de ces polluants dont les impacts sur l’environ-nement et la santé sont particulièrement graves.

Catalyse hétérogène sur zéolithes-ions métaux :

modélisationDorothée Berthomieu

L’objectif d’ici 2010 pour la France est de réduirede moitié les émissions en NOx par rapport à 1990(graphique ci-dessous).

La catalyse pour l’environnement concernetoutes les technologies capables de réduire lesémissions de polluants dans l’environnement.L'innovation dans ce domaine est cruciale et desétudes prospectives prévoient un essor mondial dumarché de la catalyse pour l’environnement pourles prochaines années. Parmi les technologies pré-conisées en vue de préserver l’environnement, lacatalyse hétérogène occupe une place de choix.Depuis plus d’une dizaine d’années, un importantdomaine de recherche a été développé pour laréduction des oxydes d'azote au Laboratoire desMatériaux Avancés pour la Catalyse et la Santé del’Institut Gerhardt à Montpellier (MACS-ICG UMRCNRS-ENSCM-UM1-UM2 5253). Il s’agit de laréduction catalytique sélective des NOx et de N2Odes effluents gazeux de procédés industriels, parNH3 principalement[1]. Le mécanisme de la réac-tion sur catalyseur Cu-zéolithe est illustré par leschéma 1.

Ces recherches ont débouché sur la mise au pointd'un nouveau catalyseur Cu-zéolithe qui fonctionnedepuis 2003 à l'échelle industrielle[2]. La chimiedes matériaux élabore des matériaux originaux,étudie leurs structures, leurs propriétés et établit

les relations entre structures et propriétés. C’estdans ce contexte que je m’intéresse à la compré-hension fondamentale, approfondie à l’échelle

nanométrique, du comportement de métallozéoli-thes (dont Cu-zéolithe est un exemple), de leurstructure et de leur réactivité.

LES ZEOLITHES

Les matériaux catalytiques à base de zéolithesoccupent une place très importante en catalyse hété-rogène; la progression exponentielle des contributionsaux conférences internationales sur les zéolithestémoigne de la vitalité de la communauté concernée1.Les zéolithes sont des alumino-silicates cristallinsmicroporeux présentant des architectures particuliè-res (Figure 1). Les zéolithes sont en effet construites,le plus souvent, à partir de sites tétraédriques SiO4 etAlO4 liés entres eux par les O. Ces tétraèdres donnentnaissance à un réseau répétitif complexe contenantdes cages reliées entres elles par des canaux, dans les-quels peuvent se loger des molécules hôtes, de tailleappropriée : de l’eau, des gaz ou des molécules orga-niques de grande dimension (des molécules aromati-ques par exemple). La présence d’Al dans la structurede la zéolithe induit un excédent de charge qui estcompensé par la présence dans le réseau de cationsmétalliques variés, des métaux alcalins, des métauxde transition, des protons ou des cations organiques.

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Emissions de NOx en France (source CITEPA /CORALIE format CCNUCC)

1 Zeolites and mesoporous materials at the dawn of the 21st Century Stud. Surf. Sci.Catal.,135, (2001) - Elsevier

Figure 1 : Structure d’une zéolithe de type faujasite.

Les Si sont en bleu foncé, les Al en vert et les O enbleu ciel. En jaune sont indiquées des "cages" délimi-tées par le réseau cristallin. Il s'agit respectivementdes supercages, des cages sodalites et des prismeshexagonaux [3]

L’utilisation des zéolithes dans l’industrie ou dansd’autres domaines est très large et variée : les zéoli-thes sont ainsi employées comme catalyseur dans l’in-dustrie chimique, mais plus largement comme tamismoléculaire, comme échangeurs d’ions, comme adsor-bants etc ... Cette variété de modes d’utilisation estliée à la composition des zéolithes ainsi qu’à la natureet aux positions des cations dans le réseau. Il y a unedemande permanente de zéolithes avec de nouvellesstructures.

Le travail de recherche effectué dans la chimie desmatériaux catalytiques s’est fortement développédepuis une cinquantaine d’années et s’est concen-tré sur l’élaboration de matériaux nouveaux et surl’étude de leurs propriétés catalytiques. Le chimisteveut désormais synthétiser des matériaux « àfaçon » pour disposer du matériau adéquat pourcatalyser la réaction qui l’intéresse : il veut un cata-lyseur qui « marche ». C’est pour cela que cette dis-cipline s’oriente de plus en plus vers l’explorationde voies nouvelles en vue de synthétiser des maté-riaux catalytiques aux propriétés prédéfinies.Plusieurs types de stratégies sont mis en œuvre afind'explorer ces propriétés. La modélisation par descalculs de mécanique moléculaire et par chimiequantique en est une qui ne cesse de se développerdans les laboratoires[4-6].

L’objectif des travaux de modélisation des zéolitheséchangées par des ions de métaux de transition, estdouble : il s'agit d’une part de modéliser le plusexactement possible des solides catalytiques, tâcheextrêmement délicate en catalyse hétérogène, etd’autre part de modéliser des réactions à l'originedu processus catalytique.

Le schéma réactionnel proposé pour la réductionde NO par CuY (schéma 1) reste spéculatif. Eneffet, l'étude des étapes intermédiaires du cyclecatalytique est difficilement accessible expérimen-talement. Par exemple, il n’est possible ni de diretrès précisément combien de molécules de NH3 sefixent sur le site actif, ni comment N2 se forme, nioù se fixe O2, ni sous quelle(s) forme(s) le cationmétallique est actif. Les espèces réactives du cata-lyseur ne sont pas entièrement caractérisées etl'étape de réoxydation n'est pas clairement établie.Il a été mis en évidence que la présence de coca-tions Na et Ba ou de protons permet de modifierles propriétés du catalyseur [7]. Le rôle des coca-tions dans la modification des propriétés catalyti-ques n'est pas entièrement compris. Pour progres-ser dans la compréhension du matériau catalytiqueet du mécanisme de réaction, il faut utiliser de nou-velles approches. C'est ce qui m'a conduit à explo-rer les voies capables de donner une description àl’échelle nanométrique du matériau, du site actif etde son mode de fonctionnement.

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Schéma 1 : Cycle catalytique proposé pour décrire la réaction de réduction catalytique sélective de NO

par NH3 sur CuII-zéolithe

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2- Méthodologie utilisée pour lamodélisation des zéolithes-ions

métaux de transition (TMI-zéolithe)

La modélisation de réactions catalytiquesconnaît un grand développement grâce aux pro-grès croissants des performances des ordinateurset des programmes de calcul. Elle constitue undomaine de choix pour développer et appliquer lesméthodes de chimie quantique, méthodes quicherchent à comprendre et à calculer commentinteragissent électrons et noyaux. De nombreusesrecherches sont actuellement réalisées dans cesdirections par la communauté internationale.L'approche quantique devrait théoriquement per-mettre de résoudre tous les problèmes posés parle chimiste puisque la résolution de l’équation deSchröedinger HΨ=EΨ permet de calculer l’éner-gie d’un système moléculaire et d’en déduire tou-tes ses propriétés (géométrie, propriétés électro-niques, spectres Infra Rouge, RésonanceMagnétique Nucléaire, Résonance ParamagnétiqueElectronique, etc...). Cependant, en dehors de castrès particuliers, la résolution exacte de cette équa-tion n’est pas possible. On tente donc de s’appro-cher de la solution exacte à l’aide de différentesméthodes fondées sur différents types d’approxi-mations.

La présence de métaux de transition dans les cata-lyseurs pose plusieurs problèmes de modélisation.D'une part, les calculs sont techniquement difficiles(problèmes de convergences pour les systèmesmétalliques et/ou paramagnétiques). D'autre partdes méthodes de calcul suffisamment élaboréesdoivent être utilisées afin d'effectuer un traitementde la corrélation dynamique indispensable à la des-cription des électrons des métaux de transition.Seules les méthodes de calculs quantiques fondéessur les progrès récents faits dans la Théorie de laFonctionnelle de la Densité permettent simultané-ment de prendre en compte les effets de corréla-tion, et de travailler sur de « gros systèmes »(jusqu’à 200 atomes). Comme ces calculs sont trèslongs et demandent une très grande mémoire, ilssont effectués sur des supercalculateurs possédantune architecture parallèle. C'est la raison pourlaquelle mes calculs sont essentiellement réalisés

sur les deux centres de calcul en France que sont leCINES et l'IDRIS.

Ainsi au CINES, des versions à jour de nombreuxprogrammes académiques et commerciaux de chimie quantique sont disponibles(http://www.cines.fr/-Progiciels-de-Chimie-.html).C’est indispensable de pouvoir disposer d’une largegamme de codes, car chaque code a ses propresspécificités. Le logiciel MS Studio [3] permet de dis-poser d’une interface graphique indispensable àl’étude des zéolithes. Cette interface est couplée àdes logiciels de chimie quantique (Dmol3 et CAS-TEP) et de mécanique moléculaire. Des mises aupoint de l'interface graphique par les concepteursde MS Studio devraient permettre de pouvoir utili-ser pleinement ces logiciels de chimie quantique.

La zéolithe utilisée pour la réaction de réductioncatalytique sélective de NO est une faujasite quicontient près de 700 atomes et qui n'est pas pério-dique (cf. § 3-A). Tout calcul de chimie quantiquedémarre à partir d’un jeu de coordonnées du sys-tème moléculaire à étudier (on utilise en généralles structures de rayons X publiées dans la littéra-ture ou des calculs de mécanique moléculaire).Trois types de modèles différents sont générale-ment utilisés pour représenter une zéolithe : (i) desclusters, qui sont des modèles contenant un nom-bre restreint d’atomes, (ii) des modèles périodi-ques, et (iii) des clusters dans un environnementpériodique. L’approche la plus adaptée à notre casest l'approche cluster. Il est donc nécessaire detrouver le cluster le plus représentatif pour modé-liser les propriétés de la faujasite.

3- Exemples

La modélisation par des calculs de chimie quan-tique a permis d’acquérir de nouvelles connaissan-ces de ces matériaux catalytiques TMI-zéolitheillustrées par deux exemples :

� Description à l’échelle moléculaire desTMI-zéolithe

� Solvatation des cations dans les zéolithes

A- Description à l’échelle moléculaire des TMI-zéolithes

La faujasite est une zéolithe pouvant avoir uneforte teneur en Al (Si/Al <_ 2,5), de structure tridi-mensionnelle et dont les sites cristallographiquesoccupés par les cations sont généralement les sitesI, I', II, II' et III (Figure 2).

Les structures exactes de telles zéolithes ne sontpas connues avec précision : d'une part les analysesRX font l'hypothèse qu'elles sont périodiques (elles

assimilent Si à Al) alors qu'elles ne le sont pas etd'autres part la position des cations n'est pas déter-minée de façon univoque. Les matériaux CuIIY sontgénéralement obtenus en échangeant par du Cu2+

des cations Na+ contenus dans une zéolithe com-merciale NaY. En condition de réaction, les cationsles plus actifs dans ces matériaux seraient localisésdans les sites les plus accessibles qui sont les sites IIet III de la supercage. C’est la raison pour laquelleces sites ont été étudiés.Comme je l’ai dit en introduction, le solide estreprésenté par des clusters. La taille maximale desclusters étudiés est symbolisée par le rectanglebleu en surimpression sur la Figure 2. Pour explo-rer une large gamme de propriétés, des clustersplus petits ont aussi été étudiés. J’ai montré que lataille du cluster, petite ou grande, ne modifie pas lespropriétés électroniques du système. En revanche,la géométrie de l’environnement proche du cationcuivre, en particulier la position des atomes aux-quels il est directement lié a une très grandeinfluence, en particulier sur la densité de spin. Lacomparaison entre les structures X et les calculs dechimie quantique a permis de prédire une défor-mation locale du cycle au voisinage de Cu qui n'ap-paraît pas par RX du fait de la symétrie imposée[8].A l’issue de ces études, j’ai sélectionné deux clusteroriginaux. Ces modèles permettent également dedécrire des structures où les cations sont sous laforme d’oxocations [CuII-O-CuII]2+ [9].

Dans ce cas, les longueurs des liaisons [CuII-O-CuII]2+ calculées obtenues sont presque identiquesaux valeurs expérimentales de RX (Figure 3).

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Figure 2 : Structure de la faujasite (plus de 600 atomes par maille). Les caractères romains se rapportent aux sites

cristallographiques que peuvent occuper les cations.

Figure 3 : Calculs DFT (B3LYP) de structures d’oxocations [CuII-O-CuII]2+ dans la CuIIY [9]. Les distances Cu-O sont en Å.Modèle de site II (cycle à 6) et site III (cycle à 4) de CuIIY étudiés.

Les Al sont en jaune, les Si en bleu ciel, les O en rouge, les Cu en bleu foncé et les H en gris.

En revanche, pour avoir des paramètres géométri-ques plus proches des valeurs expérimentales, l'uti-lisation de grands clusters est nécessaire (Figure 4).

Figure 4 : Calculs DFT (B3LYP) de l’adsorption de CO surCuI dans la cage sodalite de la CuIY contenant des

cocations Na. Mise en évidence d’un nouveau moded’adsorption Cu…C=O…Na [13].

Seuls les cations et CO apparaissent sous forme desphère. Le Cu est en bleu et les Na sont en rose.

(164 atomes, 2389 fonctions de base). Note: sur SGI avec 16 processeurs, 1 cycle SCF avec la

fonctionnelle BP86 a nécessité environ 5h20' avec ADF, et sur leSP3 avec 6 processeurs, 1 cycle SCF avec la fonctionnelle B3LYP

a nécessité environ 35h00 en moyenne avec gaussian 03.

L’analyse des propriétés électroniques de modèlesde CuIIY a permis de dégager des caractéristiquesimportantes de ces catalyseurs [10,11]. Ainsi lacharge sur l’ion Cu2+ est inférieure à 1 (+0.7 à+0.8) et proche de la charge calculée pour l’ionCu1+ (+0.6 à +0.7) placé dans le même site. Unetelle diminution de la charge sur Cu2+, ne peuts’expliquer que par un transfert de charge de lazéolithe sur l’ion métallique. Ce transfert de chargede la zéolithe vers l’ion métallique a été corroborépar la faible valeur de densité de spin sur l’ion CuII

dont j'ai montré l’influence sur les propriétés RPE(Résonance Paramagnétique Electronique) [8,12].Grâce aux développements méthodologiquesrécents du calcul des propriétés magnétiques dansles codes de calculs, j’ai pu en effet calculer les ten-seurs caractéristiques des spectres de RPE du CuII.

L'approche par chimie quantique a permis de met-tre en évidence le rôle fondamental de la zéolithe

sur les propriétés du cation et de mettre en évi-dence que le concept communément utilisé consis-tant à représenter le matériau CuIIY par le modèlede paire d’ions "Cu2+-zéolithe2-" est inadapté. Lazéolithe joue au contraire un rôle actif dans lematériau qui n’est pas celui de simple « support »ou de simple canal comme cela est encore couram-ment décrit. La zéolithe gère l'apport ou le déficitde charge en acceptant ou en redonnant des élec-trons. Cette redistribution électronique confirmele rôle important joué par la zéolithe [10,11,14].

L'extension de ces calculs à d'autres métaux detransition de la première ligne, le fer et le cobalt,ainsi que l'étude d'une autre zéolithe, a permis demettre en évidence les mêmes propriétés que cel-les mises en évidence pour le cuivre dans la fauja-site [11,15]. La zéolithe joue donc un rôle impor-tant quel que soit le métal de transition et quelleque soit la zéolithe.

Le caractère de supermolécule de ces maté-riaux «TMI-zéolithes» est un concept nouveauqui m’a permis, au moyen de calculs de chimiequantique, de répondre à diverses interroga-tions des expérimentateurs et d’expliquer cer-tains des effets très particuliers des zéolithesqui ont été mis en évidence séparément, telsque les « micro-effets », les sélectivités deforme, les effets de cage, les effets de gradientde champ, les effets de confinements, les effetsde solvants, l’acidité, etc … Ce concept desupermolécule permet d’unifier ces principesen englobant dans une description unique lesite actif et son environnement.

B- Solvatation des cations dans les zéolithes

Il est fondamental de pouvoir comprendre etprédire les phénomènes de redistribution descations dans ces matériaux catalytiques. En effet, aucours des réactions, des résultats expérimentauxont conduit à émettre l’hypothèse que les positionsdes sites actifs dans ces matériaux pourraient chan-ger en présence de réactifs. Des résultats expéri-mentaux ont par exemple mis en évidence des aug-mentations de sélectivité de réactions d'adsorptionpar addition d'eau ou d'ammoniac. Néanmoins, detelles redistributions restent mal connues et insuffi-

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samment étayées. Dans cette optique, l'approcheBOMD (Born Oppenheimer Molecular Dynamics)2

de la modélisation de ces phénomènes a été choi-sie afin d'étudier l'évolution d'un système molécu-laire. Ces calculs sont très longs et réalisés sur destemps de quelque nanosecondes[16]. Ils ont étéessentiellement réalisés à l’aide du code académi-que deMon[13].

Dès à présent, les premiers résultats montrentqu'en présence de quelques molécules d'eau, lacoordination du CuI avec la zéolithe change etque le CuI se trouve au cours du temps plus ou

moins lié à la zéolithe et aux molécules de sol-vant. Cette étude préliminaire a mis en évidencepour la première fois, par cette approche, lamigration du Cu1 du site II en site III en présencede quelques molécules d'eau. Si l'approche dyna-mique est plus réaliste puisqu'elle prend encompte le mouvement des noyaux, les calculssont très longs. Une étude similaire a été réaliséepour du CuII et les résultats ont mis en évidenceque la coordination peut également changer aucours du temps (elle passe de 5 à 3), mais que leCuII reste toujours lié à la zéolithe (Figure 5).

Cette approche utilisant des calculs de dynamiquemoléculaire permet de prédire la réactivité des sys-tèmes ions métaux de transition-zéolithes et enparticulier permet de connaître la coordination dusite actif en cours de réaction. Parallèlement à cetravail il a été montré que les valeurs des énergiesde liaison métal-ligand varient très fortement lors-que le métal passe d'une coordination 4 à une coor-dination 1. Cette étude a mis en évidence qu’il estfondamental de connaître la coordination du métalpour calculer les énergies de liaisons et décrire lesprofils réactionnels des réactions convenable-ment[17]. Une méthodologie de type "coupled

cluster" a aussi été utilisée afin de mieux prendreen compte la corrélation électronique, ce qui anécessité des temps de calculs très longs sur leCINES.

Conclusion

Les apports de la chimie quantique à la résolu-tion de problèmes posés par le chimiste sontincontestables. J’ai illustré par deux exemples despropriétés que l’on peut déterminer. Bien d’autrespropriétés sont modélisées au laboratoire MACS

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2 Par cette méthode, les atomes bougent sous l'action de forces dérivées directement de l'état fondamental électronique. Lesélectrons participant aux liaisons chimiques, qui se font et se défont pendant le mouvement des atomes, sont traitésexplicitement selon un modèle de mécanique quantique. Les simulations sont basées sur la physique des atomes quibougent sous l'action d'interactions mutuelles de courte portée.

Figure 5 : BOMD de CuII en site III dans la zéolithe Y en présence de 4 molécules d’eau.(Le Cu est en jaune, les Al en bleu, les Si en brun, les O en rouge et les H en blanc).

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de l’ICG et d'autres systèmes tels que des cataly-seurs basiques à base d’hydroxydes doubles lamel-laires et des métalloprotéines etc… Certains deces systèmes ont nécessité des temps de calculsparticulièrement longs, comme le calcul des fré-quences. Une interaction forte avec le CINES dansle suivi de ces calculs en a permis la réalisation.L’équipement de nouvelles machines plus rapideset plus performantes est très attendu par tous lesutilisateurs. La mise en place du SP4 a permisd'avoir des temps de restitution des calculs beau-coup plus courts. Néanmoins, les temps d’attenterestent encore trop longs car dans le même tempsle SP3 n’a pas encore été remplacé. Nous atten-dons aussi beaucoup de la nouvelle machine HP(http://www.cines.fr/Cluster-de-calcul-HP-CI.html)pour suppléer l’actuelle SGI et permettre d’envisa-ger le calcul de plus gros systèmes.

Remerciements

Je tiens à remercier vivement toute l’équipe duCINES et en particulier notre interlocutrice le Dr. Nicole Audiffren qui s’occupe des logiciels dechimie et assure le lien indispensable entres les uti-lisateurs et les développeurs de ces codes. Je tiensaussi à remercier Philippe Falandry chargé du sup-port graphique pour son aide précieuse à la réalisa-tion d’animations pour la visualisation de résultats.

Pour en savoir plus

[1] D. Berthomieu, G. Delahay, Catal. Rev.-Sci.Eng. 48 (2006) 269.

[2] B. Coq, G. Delahay, B. Neveu, J. B.Peudepiece, S. Kieger, US 6,221,324, 2001.

[3] Materials studio ; http://www.cines.fr/-Progiciels-de-Chimie-.html.

[4] M. B. Hall, P. Margl, G. Naray-Szabo, V. L.Schramm, D. G. Truhlar, R. A. Van Santen, A.Warshel, J. L. Whitten, ACS SymposiumSeries 721 (1999) 2.

[5] B. Van de Graaf, S. L. Njo, K. S. Smirnov,Reviews in Computational Chemistry 14(2000)137.

[6] A. T. Bell, Molecular Physics 102 (2004) 319.[7] S. Kieger, G. Delahay, B. Coq, Applied

Catalysis, B: Environmental 25 (2000)1.[8] D. Berthomieu, J.-M. Ducéré, A. Goursot,

Journal of Physical Chemistry B 106 (2002)7483.

[9] B. Coq, G. Delahay, R. Durand, D.Berthomieu, E. Ayala-Villagomez, Journal ofPhysical Chemistry B 108 (2004), 11062.

[10] D. Berthomieu, S. Krishnamurty, B. Coq, G.Delahay, A. Goursot, Journal of PhysicalChemistry B 105 (2001), 1149.

[11] D. Berthomieu, A. Goursot, J.-M. Ducéré, G.Delahay, B. Coq, A. Martinez, Studies inSurface Science and Catalysis 135 (2001)2618.

[12] D. Berthomieu, J.-M. Ducéré, A. Goursot,Studies in Surface Science and Catalysis 142B(2002) 1899.

[13] N Jardillier, EA Villagomez, G Delahay, BCoq, D Berthomieu. Journal of PhysicalChemistry B 110 (2006) 16413-21.

[14] A. Goursot, B. Coq, F. Fajula, D. Berthomieu,G. Delahay, Journal of Catalysis 216 (2003)324.

[15] D. Berthomieu, N. Jardillier, G. Delahay, B.Coq, A. Goursot, Catalysis today 110 (2005)294.

[16] D. Berthomieu, S. Krishnamurty, T. Heine, A.Goursot, Studies in Surface Science andCatalysis 158A (2005) 655.

[17] J.-M. Ducéré, A. Goursot, D. Berthomieu,Journal of Physical Chemistry A 109 (2005)400.

L'ISSN (International Standard Serial Number)est un numéro à huit chiffres qui identifie les périodi-ques en tant que tels, y compris les ressources élec-troniques en continu. Plus de 1,2 million d'ISSN ontété attribués à ce jour.

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graphique contenant les notices créées pour l'identi-fication des publications en série auxquels des numé-ros ISSN ont été attribués. Le Registre de l'ISSN estdisponible sur deux supports :

� à travers une interface Web (ISSN Online puis lePortail de l’ISSN)

� en tant que fichier de données brutes au formatd'échange ISO 2709 (pour les institutions etsociétés intéressées par des traitements spécifi-ques sur ces données ou par une mise en lignedans un cadre spécifique)

� sur un CD-Rom compatible Windows mis à jourtrimestriellement (ISSN Compact)

Le 1er mars 2005, l’ISSN lançait sa nouvelle applica-tion « Le Portail de l’ISSN », en remplacement deISSN Online. Jusqu’alors, le CIEPS-ISSN hébergeaitdans ses locaux l’application support du Registre del’ISSN. Cette application devenait obsolète, et vulné-rable compte-tenu de l’hébergement en interne. Deplus, les capacités techniques du serveur de ISSNOnline ne permettaient pas d’envisager des amélio-rations dans les conditions d’utilisation de la base dedonnées.

Le Registre de l’ISSN, avec plus de 1 million denotices, est une base de données qui se devait d’êtreplus réactive pour répondre aux attentes des utilisa-teurs de l’ISSN. Le CIEPS-ISSN a donc décidé dechanger d’application informatique, un challenged’autant plus important que cette opération délicatene devait pas léser les utilisateurs du Registre. La nou-velle application a été implémentée dans le courant

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CINES et ISSN :Une symbiose des compétencesLe CINES et le CIEPS-ISSN (Centre International d’Enregistrement desPublications en Série) signaient, le 1er février 2004, une convention pour

l’hébergement des serveurs de la nouvelle application du CIEPS-ISSN.Cette date a marqué le début d’une collaboration efficace

entre les deux acteurs du service public.

Sophie Vincent

de l’année 2004 en collaboration avec VTLS Inc, lefournisseur américain de gestion de base de données.

A partir du moment où la décision était prise de met-tre en place une nouvelle application informatique,offrant des capacités techniques plus importantes, ilest apparu évident que les serveurs supportsdevaient être hébergés en externe.

Le Centre Informatique National de l’EnseignementSupérieur présentait, d’emblée, un certain nombred’atouts majeurs, tant techniques que structurels :� c’est un établissement public, spécialisé, entre

autre, dans les bases de données� qui a une bonne expérience de ce type d’héber-

gement (notamment le portail SUDOC)� qui offre d’excellentes garanties, notamment une

garantie de pérennité du service� et une garantie de disponibilité, avec un débit de

trafic suffisant.-

Le choix s’est donc porté naturellement vers la com-pétence du CINES et l’accord a été conclu le 1erfévrier 2004. Le CIEPS-ISSN a fourni au CINES lesplates-formes des matériels et logiciels du serveur.Pour sa part, le CINES met en œuvre, dans le cadrede l’accord, un environnement informatique de pro-duction, constitué d’une salle machine sécurisée etclimatisée, de matériel assurant la sauvegarde et lasurveillances des systèmes, l’alimentation électriqueadéquate et un accès à l’Internet via RENATER. Debonnes bases permettant un échange d’informationentre les deux parties ont rapidement été trouvées.Le bilan de ces deux années de collaboration est trèspositif.

L’expérience et les atouts techniques du CINES ontpermis au CIEPS-ISSN de trouver une plate-formed’hébergement fiable pour le Portail de l’ISSN.

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Le FORTRAN a 50 ans

Le langage FORTRAN (FORmula TRANslation)fut initialement développé par un ingénieur IBM :John Backus puis commercialisé en 1956. Il est lepremier langage de haut niveau de l’histoire de l’in-formatique dont la diffusion a été conséquente et qui,de surcroît, est toujours utilisé après 50 ans d’exis-tence. La reconnaissance de l’importance de cetteinvention n’est intervenue qu’en 1993 par l’attribu-tion à John Backus de l’Engineering’s Charles StarkDraper Prize (distinction Américaine majeure dans ledomaine des sciences de l’ingénieur).

Le succès de ce langage tient à son adéquation avecles besoins de la communauté scientifique (possibi-lités de calculs numériques et performances) et àl’inertie d’utilisation induite par la masse de codevalidé existante. La spécification du langage s’estadaptée aux nouveaux paradigmes de programma-tion, avec l’introduction de procédures, puis destructures, ensuite de modules, d’interfaces etenfin d’objets.

La programmation objet est l’un des apportsmajeurs de la norme FORTRAN 2003 (standardpublié en novembre 2004 cf. ISO/IEC 1539 - 1 :2004 sur www.iso.org). Après un bref survol desautres apports de cette norme et de son devenir,nous nous concentrerons ici sur la présentationd’un retour d’expérience en programmation objeten utilisant le compilateur de la société NAG.Cette partie suppose une certaine affinité du lec-teur avec la programmation orientée objet.

Changements avec les normes2003 et suivantes.

En marge des concepts de programmationobjet, voici un résumé des autres caractéristiquesde cette nouvelle norme. Pour de plus amplesinformations, le lecteur pourra se référer à un

document (Final Committee Draft publié en octo-bre 2003) ayant servi de base à la norme ISO etconsultable gratuitement (cf. http://j3-fortran.org/doc/year/04/04-007.pdf) et/ou à destransparents explicatifs de l’IDRIS(www.idris.fr/data/cours/lang/fortran/f200x). Tout d’abord, la norme 2003 conserve majoritaire-ment la compatibilité avec les codes relevant de lanorme FORTRAN90/95.

Elle apporte une conformité des calculs flottantsavec le standard IEEE et des modules intrinsèquespour gérer les exceptions associées (invalid, over-flow, divide by zero, underflow et inexact), unespécification de l’interfaçage avec le langage C(module ISO_C_BINDING), la notion de flux etd’asynchronisme pour l’accès aux fichiers et l’accèsaux arguments passés en la ligne de commande. Elle apporte également la généralisation de l’attri-but ALLOCATABLE à tous les types et des relâche-ments de contrainte sur son utilisation, la possibilitéd’interdire (via l’attribut VOLATILE) la mise enregistre de variables par le compilateur. L’attributVOLATILE permet par exemple de partager l’accèsà une variable dans un code multi-threadé.

Les points suivants ne sont plus supportés (déjà lecas pour FORTRAN 95) :

� boucles DO avec des réels, � branchement à une instruction END IF, � instruction PAUSE : à remplacer par

READ(*,*), � instruction GOTO assignée et Formats assi-

gnés � descripteur d’édition H.

Les possibilités suivantes sont atteintes d’obsoles-cence (i.e. prévues pour être éliminées par lanorme 2008) :

� IF arithmétique, � Fins d’instructions DO multiples et/ou parta-

gées,

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FORTRAN 2003Bertrand Cirou

� instructions RETURN multiples, � instruction GOTO calculée, � fonction formule ou Fonction-Instruction, � instruction DATA parmi les instructions exé-

cutables, � fonction caractère dont le résultat est de lon-

gueur*, � forme fixe du code source (col. 6, 7 et 72),� déclaration des chaînes de caractères par

CHARACTER*n

Instructions pouvant devenir obsolètes (dépré-ciées) :

� instructions SEQUENCE, EQUIVALENCE, � instructions COMMON, BLOCK DATA, � directive INCLUDE, � instruction DO WHILE, � écriture des DOUBLE PRECISION, � noms spécifiques pour les procédures intrin-

sèques.

Le FORTRAN va continuer d'évoluer. En effetun nouveau groupe de travail WG5 est déjà à l’œu-vre pour définir la prochaine norme 2008 quidevrait être publiée en août 2009. Cette nouvellenorme sera une modification mineure de 2003 etcomportera vraisemblablement les extensions dulangage Co-Array FORTRAN (CAF) pour lesquel-les une communauté d’utilisateurs et un compila-teur existent. Les extensions Co-Array portentnotamment sur l’expression du parallélisme enmémoire distribuée. Elles visent à concurrencer lafuture norme OpenMP 3.0 qui, rappelons-le, ne faitpas partie de la spécification du langage FORTRAN.

Comme présenté dans le listing 1 ci-dessus, la syn-taxe CAF utilise des crochets [ ] pour accéder auxdonnées en mémoire distante et des parenthèses ( )pour les accès locaux.

Expérimentations en programmation orientéeobjet.

Près de deux ans après la publication du stan-dard, peu de sociétés ont planifié la sortie d’uncompilateur supportant intégralement la norme2003. A notre connaissance, le compilateur NAGest celui qui offre la plus grande couverture decette norme avec notamment la possibilité d’effec-tuer une programmation orientée objet. Nousavons donc élaboré l’exemple qui va suivre avec cecompilateur.

Cet exemple illustrera les fonctionnalités objetssuivantes du FORTRAN 2003 :

� procédures attachées à un type dérivé, � hiérarchie de classe (mot clé extends), � héritage, � spécialisation, � polymorphisme (via le mot clé class), � surcharge de subroutine / function (attribut

generic). � classe abstraite (mot clé abstract et deferred)

Les fonctionnalités objets suivantes du FORTRAN2003 ne sont pas présentées :

� attribut protected (visibilité), � attribut non_overridable (visibilité), � attribut final (destructeur de classe), � surcharge d’opérateurs, � affichage / sérialisation pour READ et WRITE, � classe avec type paramétré.

Notre exemple consiste en la définition de quatreclasses (en fait quatre types dérivés) dans unmodule BLASmatrix avec les relations d’héri-tage (i.e. hiérarchie des classes) indiquées par leschéma 1 (Remarque : ce n’est pas la structure

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Listing 1 - Anticipation de code FORTRAN 2008

Figure 1 - Hiérarchie entre les classes du moduleBLASmatrix

des données mais la structure du code). Nousdéfinirons le contenu de ces classes de façonincrémentale et nous donnerons au fur et àmesure des codes de programmes utilisant notremodule. Plus précisément, ce dernier proposetrois classes instanciables pour manipuler desobjets correspondant soit à des matrices 2D denombres flottants simple précison, soit à cesmêmes matrices mais en double précision (resp.BLASmatrix_float et BLASmatrix_dbl), soit àdes matrices triangulaires inférieures (L) en dou-ble précision (BLASmatrix_L_dbl). La qua-trième classe est une classe abstraite(BLASmatrix_abstract) pour unifier la défini-tion générale d’une matrice. Nous ne verronscette dernière qu’à la fin de l’exemple.

Afin de faciliter la compréhension des extraits decodes, voici quelques éléments d’information :

� les commentaires sont en rouge, les mots clésdu langage en bleu et nos propres dénominationset autres symboles en noir,

� nous utilisons [...] pour indiquer qu’une partiede code déjà donné dans un listing a été tronquée.

� en FORTRAN 2003, le mot clé procedurepermet d’attacher une subroutine ou une func-tion à un type dérivé. Dès lors, nous désigneronsindifféremment l’une ou l’autre comme méthode declasse (dénomination usuelle),

� en FORTRAN 2003, par défaut, le premierparamètre d’une méthode de classe correspond àl’objet particulier sur lequel la méthode est invo-quée. Par analogie avec le C++, nous choisissonsde nommer ce premier paramètre this. Si le pro-grammeur souhaite associer cet objet particulier àun autre paramètre, le nom de ce paramètre doitêtre spécifié à l’aide de l’attribut PASS. Dansl’exemple du listing 2, on pourrait faire redondanceà cette hypothèse par défaut, en remplaçant la ligne23 par :

procedure,pass(this)::set_elem=>&set_elem_dbl+

� le mot clé class utilisé à la place de type pourdéclarer les paramètres des méthodes permet debénéficier (si le code est écrit dans ce but) desavantages du polymorphisme (factorisation decode),

� enfin, nous nommons ldim la dimension ennombre de lignes et cdim la dimension en nombrede colonnes. Dans cette logique, l est le nom del’indice pour accèder à la lième ligne et varie dansl’intervalle [1,ldim]. Enfin, c est le nom de l’indicepour accèder à la cième colonne et varie dans l’inter-valle [1,c_dim].

Type dérivé / Procédure attachée

A présent considérons la classe BLASmatrix_dblprésentée dans le code du listing 2. Elle est implé-mentée de façon relativement générique (compro-mis performance / généricité) avec un tableau depointeurs sur des colonnes. Le masquage d’implé-mentation est obtenu par la privatisation de ce

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Listing 2 – Module de matrice simple

tableau et par la mise à disposition d’accesseurs. Ici,dans un souci de séparation entre interface et implé-mentation, les noms des méthodes sont redirigésvers des noms spécifiques à l'implémentation (via lesymbole =>).

Remarque : lorsque les types dérivés paramétrés(équivalent, en moins riche, des templates C++)seront supportés par le compilateur NAG, le codedes classes BLASmatrix_dbl etBLASmatrix_float pourra être factorisé. A noterégalement que lorsque la sérialisation pour READ etWRITE sera supportée, il faudra réimplémenter laméthode display. Ceci permettra d’afficher notrematrice A avec :

WRITE(*,*) A a v e c A d é c l a r é e a v e c l e t y p eclass(BLASmatrix_dbl) A.

Héritage / Spécialisation

Nous créons une classe BLASmatrix_L_dblcar nous savons que nous pourrons exploiter le faitque les éléments de la partie triangulaire supé-rieure soient nuls avec des optimisations destockage, de calcul et de parcours / accès.

Dans un but de réutilisation de code et de structu-ration, nous faisons hériter la classeBLASmatrix_L_dbl de la classe

BLASmatrix_dbl (extends de la ligne 4 du listing5) car elle correspond à un objet aux caractéristi-ques moins générales (i.e. plus spécialisées). Eneffet, la matrice doit être carrée et triangulaire infé-rieure. Dans cet exemple minimaliste, nous ne fai-sons pas de vérifications sur ces caractéristiques.

Comme présenté dans le code du listing 5, il noussuffit de redéfinir seulement certains accesseurs(i.e. spécialisation de certaines méthodes héritées)pour bénéficier des méthodes déjà implémentéespour la classe parente. Cela est possible grâce à lacapacité polymorphique de la classeBLASmatrix_L_dbl qui peut se faire passer pour

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Listing 5 – déclaration d’héritage entre classes

Listing 7 – Résultat d’exécution de test2

Listing 6 – Programme simple test2

Listing 3 – Programme simple test1

Listing 4 – Résultat d’exécution de test1

un objet moins spécialisé (ici une seule possibilité enremontant la hiérarchie de classe), à savoir un objetde type BLASmatrix_dbl. Ce polymorphismeintervient lorsque la méthode display est invoquéesur un objet de type BLASmatrix_L_dbl. En effet,c’est le code du listing 2 qui est exécuté, mais ce nesont pas les accesseurs de la classeBLASmatrix_dbl qui sont utilisés mais bel et bienceux nous avons redéfinis. Ceci assure une exécutioncorrecte de la méthode display héritée.

Surcharge de méthodes

Revenons au code de la classe BLASmatrix_dblpour rajouter des fonctionnalités de surcharge deméthode. Cette technique permet de conserver unmême nom de méthode pour exécuter, en fonctiondu type et/ou du nombre des arguments laméthode prévue pour. Ici, dans le listing 8 nousallons définir une nouvelle méthode gemm quenous allons surcharger (ligne 13) pour multiplierindifféremment matrices triangulaires inférieures(nommée L) et matrices pleine (nommée A). Cette

surcharge permettra au compilateur de choisirentre quatre méthodes :

� gemm_dbl et gemm_L_dbl de la classeBLASmatrix_dbl pour effectuer respectivementles opérations AA et AL

� la version spécialisée de ces deux méthodesdans le code de la classe BLASmatrix_L_dbl pourpouvoir effectuer les opérations LA et LL

Ici, par économie de place, nous ne présentonsqu’une seule des quatre subroutines : gemm_dblde la classe BLASmatrix_dbl (les autres sont trèssemblables). De plus, nous utilisons l’appel à uneroutine BLAS ddot (ligne 44) via un interfaçageavec le langage C dont le code n’est pas donné ici.

Classe abstraite

Une classe abstraite ne peut être utilisée pourinstancier un objet. Elle ne sert qu’à définir ce quele concepteur considère comme devant êtreimplémenté (au minimum) pour qu’une classe cor-responde à l’idée qu’il se fait d’une matrice bi-dimensionnelle. Dans notre cas, ce sont desmoyens d’accéder aux éléments avec deux indiceset de connaître les deux dimensions.

Avec la classe abstraite, il vaut mieux égalementspécifier les prototypes des méthodes avec uneinterface pour cadrer les futurs programmeurs. Par

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Listing 8 – Ajout d’une méthode surchargée

Listing 10 - Résultats d'exécution de test3

Listing 9 – Programme simple test3

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exemple dans le l i s t ing 11 , l a nouvel lec l a s se BLASmatrix_float, dérivée deBLASmatrix_abstract et déclarée pour manipu-ler des matrices denses de flottants en simple pré-cision. L’implémentation de BLASmatrix_floatdoit respecter les prototypes de l’interface, sinon lacompilation s’arrête Les prototypes abstraits sontdéclarés avec des types polymorphiquesclass(BLASmatrix) autorisant la spécialisation desméthodes par les types des classes dérivés(BLASmatrix_dbl ou BLASmatrix_float).

Conclusion

En l’état actuel, le versant objet de la norme2003 est difficile à apréhender expérimentalementfaute de validation du seul compilateur (NAG) enpointe dans son implémentation. Il est néammoinspossible de se familiariser avec les concepts objetset le vocabulaire des messages d’erreurs généréspar le compilateur. Listing 11 – Ajout d'une classe abstraite

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Historique

La base de données DeBuCi, mise en place dès1996 par le Ministère de l’Education Nationale, del’Enseignement Supérieur et de la Recherche(MENESR), est une base nationale de recensementdes accords de coopération pour les établisse-ments d’enseignement supérieur français. Cettebase se développe en collaboration avec laConférence des Présidents d’université (CPU), laDirection des Relations Internationales et de laCoopération du MENESR (DRIC) et la Conférencedes Directeurs d’Ecoles et Formation d’Ingénieurs(CDEFI).

Elle est accessible sur Internet à l’adresse suivantehttp://debuci.cines.fr et est hébergée par le CentreInformatique National de l’Enseignement Supérieur(CINES) à Montpellier. La gestion administrative deDeBuCi est assurée par le Pôle universitaire deBordeaux. Le travail en complémentarité de cesdeux organismes permet de coordonner lesbesoins en formation des usagers, de rendrecompte de leurs attentes et de développer lesaméliorations techniques.

Description de l’outil

DeBuCi est un véritable outil de recensementet de valorisation des actions engagées à l’inter-national dans les domaines de la formation et dela recherche. Elle représente aujourd’hui un outilqui comprend plus de 7500 accords de coopéra-tions pour 60 établissements d’enseignementsupérieur français. Cette base de données per-met la visibilité de ces coopérations aussi bien àun niveau national qu’international via l’ouvertureaux postes diplomatiques qui peuvent la consul-ter librement. Il en découle un rayonnementinternational des universités et une attractivitéscientifique.

La base DeBuCi s’inscrit dans un réseau et établitdes liens avec d’autres sites notamment avec leForum Curie, celui de la Conférence desPrésidents d’université, du Ministère des AffairesEtrangères ou du Ministère de l’EducationNationale de l’Enseignement Supérieur et de laRecherche. C’est un outil mutualisé, à l’échellenationale, au service des universités et des Ecolesd’Ingénieurs.

DeBuCiDonnées de la Base

universitaire des Coopérations

internationalesRégis Ritz

Président de la Commission de suivi DeBuCi

Xavier LacombeChargé de mission DeBuCi

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Directeur de la publication : Thierry PorcherRédacteur en chef : Olivier Lernout

N°ISSN: 1291-2611Edition : Couleurs du Sud

C e n t r e I n f o r m a t i q u e N a t i o n a l d e l ’ E n s e i g n e m e n t S u p é r i e u r950, rue de Saint-Priest - 34097 Montpellier CEDEX 5 - FRANCE - Tél. 04 67 14 14 14 - Fax. 04 67 52 37 63

w w w . c i n e s . f r � s e r v i c e u t i l i s a t e u r s : s v p @ c i n e s . f r

Cette base de données représente un :

� Outil de pilotage au service des établissementsd’enseignement supérieur

� Outil de présentation des coopérations inter-nationales

DeBuCi permet de :

� Recenser et éditer des actions internationalesdes établissements ;

� Rechercher des collaborations par établisse-ment et composante et/ou par pays, ville, disci-pline ;

� D’effectuer des analyses statistiques des colla-borations par niveau d’études, type de collabo-ration, origine des financements ;

� D’extraire des coopérations saisies (via unfichier Excel) ;

� Consulter en libre accès l’annuaire des Servicesdes Relations Internationales.

Commission de suivi

La commission de suivi, présidée par Régis Ritz,Président honoraire du Pôle universitaire deBordeaux, se réunit tous les ans. Elle se composede membres des services Relations Internationales,de la Conférence des Présidents d’université, duMinistère des Affaires étrangères, du Ministère del’Education Nationale de l’Enseignement Supérieuret de la Recherche, de la CDEFI et de plusieurspôles universitaires.Elle a en charge le suivi du développement de labase, des actions de formation et de promotion.

Comité technique DeBuCi :

En parallèle des actions de promotion et deformation, un travail de recensement et de défini-tion des besoins des différents services relationsinternationales a été entrepris. Ces informationssont présentées aux membres du comité techniquequi a engagé un travail de fond sur la base de don-nées. Le comité technique national, mis en place depuisJanvier 2006, composé de responsables de servicesdes relations internationales, d’une représentationde la CPU, de la CDEFI, du CINES a engagé un tra-vail de réflexion et d’amélioration des fonctionnali-tés de la base de données. L’objectif est d’assurer lacoordination entre les besoins des usagers et lesmodifications techniques. Cela doit permettre àDeBuCi d’être un meilleur outil de gestion.

Postes diplomatiques :

DeBuCi est ouverte à plus d’une centaine depostes diplomatiques à l’étranger. Une étude réali-sée met en évidence l’intérêt manifeste que repré-sente pour eux un tel outil. Ils encouragent vive-ment l’exhaustivité et la mise à jour des informa-tions contenues dans la base. L’objectif est de faireconnaître les actions à l’international, de favoriserles échanges et le développement de nouveauxpartenariats.

Conclusion :

DeBuCi est mise à disposition gratuitement,par adhésion volontaire, accessible sur Internet etsécurisée par des codes d’accès. Cette base consti-tue un outil de lisibilité nationale et internationaledes coopérations de l’enseignement supérieurfrançais. Elle constitue un outil informatisé de pré-sentation et de gestion des collaborations interna-tionales, un outil de pilotage au service des établis-sements d’enseignement supérieur.