Les méthodes de dynamique moléculaire (MD pour Molecular Dynamics en anglais) sont utilisées pour simuler des systèmes volumineux et complexes. Cependant, la simulation de ce type de systèmes sur de longues échelles temporelles demeure un problème coûteux en temps de calcul. L'étape la plus coûteuse des méthodes de MD étant la mise à jour des forces entre les particules. La simulation de particules restreintes de façon adaptative (ARMD pour Adaptively Restrained Molecular Dynamics en anglais) est une nouvelle approche permettant d'accélérer le processus de simulation en réduisant le nombre de calculs de forces effectués à chaque pas de temps. La méthode ARMD fait varier l'état des degrés de liberté en position en les activants ou en les désactivants de façon adaptative au cours de la simulation. Du fait, que le calcul des forces dépend majoritairement de la distance entre les atomes, ce calcul peut être évité entre deux particules dont les degrés de liberté en position sont désactivés. En revanche, le calcul des forces pour les particules actives (i.e. celles dont les degrés de liberté en position sont actifs) est effectué. Afin d'exploiter au mieux l'adaptabilité de la méthode ARMD, nous avons conçu de nouveaux algorithmes permettant de calculer et de mettre à jour les forces de façon plus efficace. Nous avons développé des algorithmes permettant de construire et de mettre à jour des listes de voisinage de manière incrémentale. En particulier, nous avons travaillé sur un algorithme de mise à jour incrémentale des forces en un seul passage deux fois plus rapide que l'ancien algorithme également incrémental mais qui nécessitait deux passages. Les méthodes proposées ont été implémentées et validées dans le simulateur de MD appelé LAMMPS, mais elles peuvent s'appliquer à n'importe quel autre simulateur de MD. Nous avons validé nos algorithmes pour différents exemples sur les ensembles NVE et NVT. Dans l'ensemble NVE, la méthode ARMD permet à l'utilisateur de jouer sur le précision pour accélérer la vitesse de la simulation. Dans l'ensemble NVT, elle permet de mesurer des grandeurs statistiques plus rapidement. Finalement, nous présentons des algorithmes parallèles pour la mise à jour incrémentale en un seul passage permettant d'utiliser la méthode ARMD avec le standard Message Passage Interface (MPI). / Molecular Dynamics (MD) is often used to simulate large and complex systems. Although, simulating such complex systems for the experimental time scales are still computationally challenging. In fact, the most computationally extensive step in MD is the computation of forces between particles. Adaptively Restrained Molecular Dynamics (ARMD) is a recently introduced particles simulation method that switches positional degrees of freedom on and off during simulation. Since force computations mainly depend upon the inter-atomic distances, the force computation between particles with positional degrees of freedom off~(restrained particles) can be avoided. Forces involving active particles (particles with positional degrees of freedom on) are computed.In order to take advantage of adaptability of ARMD, we designed novel algorithms to compute and update forces efficiently. We designed algorithms not only to construct neighbor lists, but also to update them incrementally. Additionally, we designed single-pass incremental force update algorithm that is almost two times faster than previously designed two-pass incremental algorithm. These proposed algorithms are implemented and validated in the LAMMPS MD simulator, however, these algorithms can be applied to other MD simulators. We assessed our algorithms on different and diverse benchmarks in both microcanonical ensemble (NVE) and canonical (NVT) ensembles. In the NVE ensemble, ARMD allows users to trade between precision and speed while, in the NVT ensemble, it makes it possible to compute statistical averages faster. In Last, we introduce parallel algorithms for single-pass incremental force computations to take advantage of adaptive restraints using the Message Passage Interface (MPI) standard.

Dans ce travail de thèse, des méthodes de simulation numérique ont été utilisées afin de modéliser, à l’échelle moléculaire,l’interaction entre des aérosols carbonés et diverses molécules de l’atmosphère.L’objectif était de caractériser les propriétés physico-chimiques de ces aérosols, qui jouent un rôle majeur dans le climat, en particulier via leur capacité à former des noyaux de condensation pour les molécules d’eau. En premier lieu, les techniques de la dynamique moléculaire ont été appliquées à la détermination de l’organisation d’agrégats d’acide carboxylique sur lesquels sont adsorbées des molécules d’eau. Les résultats montrent une influence à la fois de la température, du taux d’humidité et du type d’acide considéré sur le comportement global des agrégats. Par contre, il a été montré qu’un mélange binaire d’acides n’a que peu d’influence sur ce comportement. En second lieu, des techniques de simulation moléculaires quantiques, à la fois statiques et dynamiques, ont été appliquées à l’étude de la chloration de surfaces de suie, modélisées par de grands HAP, ainsi qu’à la caractérisation de leur affinité pour les molécules d’eau. Les résultats ont montré une forte propension de Cl, Cl2 et HCl à former des HAP chlorés à la faveur de la présence de défauts structurels. Ces structures chlorées présentent une forte hydrophilicité, ce qui pourrait expliquer la nature fortement hygroscopique de suies émises lors d’incendies industriels. / In this PhD work, molecular simulation methods have been used in order to model, at the molecular scale, the interaction between carbonaceous aerosols andvarious atmospheric species. The aim wasto characterize the physico-chemical properties of these aerosols, which play a major role in climate forcing, in particular through their ability to act as cloud condensation nuclei.First, molecular dynamics techniques have been applied to determine the structure of carboxylic acid aggregates on which water molecules are adsorbed. The results of our simulations show an influence of the temperature, of the humidity and of the type of carboxylic acid considered on the global behavior of the aggregates. By contrast,a mixture of different types of acid molecules has no influence on this behavior. Secondly, quantum molecular simulation techniques have been applied to study the chlorination of soot surfaces, modeled by large PAHs, and their behavior with respect to water molecules adsorption. The results show a strong propensity of Cl, Cl2and HCl species to form chlorinated PAHsthanks to the presence of structural defects.These chlorinated structures show as trong hydrophilicity, which may explain the strong hygroscopic nature of soots emitted by industrial fires.

Ce travail porte sur l'étude du transport de chaleur dans le Silicium cristallin nanostructuré et l’effet de l’amorphisation. La conductivité thermique de diverses nanostructures est calculée à l'aide de deux méthodes numériques : la Dynamique Moléculaire et la résolution de l'équation de transport de Boltzmann par technique Monte Carlo. Les matériaux contenant des nanopores sphériques sont d'abord examinés et l'importance de la densité de surfaces de diffusion est mise en évidence. Puis des nanofilms à pores cylindriques périodiques, souvent appelés cristaux phononiques, sont étudiés. La densité d'états calculée par Dynamique Moléculaire ne montre pas de modifications majeures des propriétés des porteurs de chaleur (phonons). En revanche, les résultats montrent que l'orientation des surfaces, la disposition des pores ou la présence d’une couche de silicium oxydé ou amorphisé peuvent jouer un rôle important pour la dissipation de la chaleur. Ensuite, le transport de chaleur dans les nanofils est étudié, notamment l'évolution radiale de la conductivité thermique. Cette dernière est maximale au centre des nanofils et décroît en s'approchant de la surface du nanofil. Des structures composées de nanofils interconnectés, appelées réseaux de nanofils, sont également étudiées; elles possèdent des conductivités extrêmement basses. Enfin, l'effet de la rugosité et de l'amorphisation des surfaces sur le transport thermique est analysé pour différents types de nanostructures. Ces deux derniers phénomènes contribuent fortement à la réduction de la conductivité thermique, qui peut prendre des valeurs très basses en gardant une fraction cristalline importante. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour le contrôle de cette propriété à travers le design des matériaux / This study deals with heat transport in crystalline nanostructured silicon and the impact of amorphization. The thermal conductivity of various nanostructures is computed with two numerical methods: Molecular Dynamics and Monte Carlo resolution of the Boltzmann transport equation. First, materials with spherical nanopores are investigated and the importance of the surface density is highlighted. Then, nanofilms with periodic cylindrical pores, often called phononic crystals, are studied. The density of states computed with Molecular Dynamics does not show major modifications of the heat carriers (phonons) properties. However, results show that the surfaces orientation, the pore distribution and the existence of native oxide or amorphous layers may have an important impact on the thermal conductivity. Then, heat transport in nanowires is studied, in particular the radial evolution of the thermal conductivity. The latter one is maximum at the center of the nanowire and decreases when approaching the nanowire surface. Structures made from interconnected nanowires, called nanowire networks, are also studied; they have an extremely low thermal conductivity. Finally, the impact of the roughness and amorphization of the surfaces on thermal transport is analyzed for different types of nanostructures. The two latter phenomena contribute strongly to the reduction of the thermal conductivity, which can reach very low values while keeping an important crystalline fraction.It opens new perspectives for the control of this property with material designing

Les cyclodextrines (CDs) sont des oligosaccharides cycliques constituées de monomères D-(+)-glucopyranose liés entre eux par des liaisons glycosidiques α-(1→4). Les plus utilisées sont celles qui comportent six, sept ou huit unités glucose, et sont appelées α-CD, β-CD et γ-CD, respectivement. Grâce à leur structure "cage", les cyclodextrines sont capables de former des complexes d'inclusion avec diverses molécules, ouvrant ainsi la voie à des applications dans de nombreux domaines de la chimie. Un des développements les plus récents, à l’origine des travaux présentés dans cette thèse, concerne l'élaboration de molécules associant de manière covalente une cyclodextrine et un métal de transition,composés particulièrement adaptés à l'étude de réactions catalytiques confinées et/ou fonctionnant en mode supramoléculaire.La première partie de ce mémoire est une mise au point donnant un aperçu du rôle croissant joué en chimie des métaux de transition par des ligands hybrides associant des centres donneurs et une entité cavitale.Les chapitres suivants sont consacrés à la synthèse de deux ligands phosphorés originaux construits sur une plateforme β-CD, ainsi qu’à l’étude de leurs propriétés complexantes et catalytiques. Le premier, WIDEPHOS, est une β-CD méthylée qui intègre deux unités phenylphosphinidène "PPh" pontant chacune deux unités glucose adjacentes. Dans cette diphosphine qui est conçue comme un chélateur à très grand angle de chélation, les doublets libres des atomes de phosphore pointent vers l’intérieur de la plateforme CD. En présence d'entités MX2 "carré-plan" (M = Pd, Pt,Rh), WIDEPHOS forme des complexes chélate caractérisés par un angle P-M-P proche de 160º, autrement dit conduit à des complexes de stéréochimie trans "imparfaite". Cette dernière est à l’origine d'un mouvement de balancier du ligand autour du métal, l’oschélation, un mouvement qui permet à chacun des atomes de phosphore d’optimiser, à tour de rôle, la liaison qu’il forme avec le métal complexé. Une autre propriété remarquable de WIDEPHOS concerne sa propension à former des espèces dinucléaires dans lesquelles les deux centres métalliques sont confinés dans l’espace cavital. Les contraintes induites par la formation de tels complexes sont manifestes au niveau de l’angle d’inclinaison τ de l’un des atomes de phosphore ainsi que par l’apparition d’un mouvement d’ "oschélation" d’un fragment P,O constitutif de la CD. / Cyclodextrins (CDs) are cyclic oligosaccharides of various sizes containing several α-(1→4)-linked D-(+)- glucopyranose units. The commercially available ones comprise six, seven or eight glucose units, named respectively α-CD, β-CD and γ-CD. Their truncated cone-like and well-defined cavity are particularly attractive for the encapsulation of a variety of substrates. As such, they found numerous applications in many areas of chemistry. A recent development, from which the present work is inspired, consisted in covalently linking transition metals to CD cavities in order to perform and study catalytic reactions in a confined environment featuring steric repulsive or attractive noncovalent interactions with the substrate or/and the metal coordination sphere.The first part of this thesis focuses on reviewing transition metal-based cavitands, for which the first and second metal coordination spheres are controlled by their cavity-shaped ligand. The following chapters are concerned with the synthesis, coordination and catalytic properties of two new phosphane ligands built on a large β-CD scaffold. The first one, named WIDEPHOS, is a diphosphine having two phenylphosphinidene "PPh" units capping adjacent glucose units on a methylated β-CD. This ligand features two phosphorus lone pairs pointing to the cavity interior but not aligned. These geometrical features, combined with the large distance separating the two phosphorus atoms, promote the formation of "imperfect" trans-chelate complexes in which the metal centre swings about the ligand. This unprecedented molecular movement, christened "oschelation", allows each phosphorus atom to form an optimal bond in turn with the coordinated d8 and d10 transition metal ions. Further studies on WIDEPHOS proved that it is better suited for coordinating dinuclear fragments within the confinement of the large β-CD cavity. Severe steric constrains on the metal first sphere of coordination result in the formation of single μ-chlorido bridged dinuclear species. In this new type of square planar complexes, non-optimal orbital overlapping measured by the so-called tilt angle was also found to take place for one of the phosphorus atom together with an "oschelation" movement involving non identical donor atoms, namely a phosphorus and an oxygen atom. Static gold(I) dinuclear complexes displaying similar imperfect orbital overlapping for one of the phosphorus atom were also prepared.

Le Nafion dans la couche catalytique des PEMFCs peut former un revêtement de film ultra-mince enrobant la surface du catalyseur et ses supports. La morphologie du Nafion se révèle être très sensibles à la nature du matériau sur lequel le film est déposé, et en particulier le caractère hydrophobe/phile de ces matériaux. Notre travail consiste à effectuer une enquête complète sur les effets hydrophiles du substrat sur les propriétés physiques du film ultra-mince de Nafion à des niveaux différents d'hydratation. Par conséquent, nous étudions selon un cadre unique une variété d'environnements spécifiques de la couche du catalyseur de la PEMFC, pouvant aller d'un substrat hydrophobe (carbone) à hydrophile (platine). La méthode numérique choisie pour ce travail est une simulation par Dynamique Moléculaire classique. Les configurations de films ultra-minces correctement thermalisés ont été décrites en détail en fonction de leurs propriétés structurales et dynamiques. / Nafion inside Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) catalyst layers can be found as an ultra-thin film coating the catalyst and the catalyst support surfaces. Nafion morphology shows to be strongly sensitive to the type of material where the film is deposited, especially the hydrophobic/philic character of these materials. Our work consists in performing a complete investigation of the substrate hydrophilicity effects on the physical properties of Nafion ultra-thin film at different hydration levels. We investigate in a unique framework a variety of environments peculiar of the PEMFC catalyst layer, ranging from hydrophobic (carbon) to hydrophilic (platinum) substrates. The numerical method chosen for this work is classical Molecular Dynamics simulations. The well-thermalized thin-film configurations were described in details in terms of their structural and dynamical properties.

Ce travail a pour but d'étudier les propriétés structurales et dynamiques des verres aluminosilicate de calcium CaO-Al2O3-SiO2 (CAS) par dynamique moléculaire classique, à partir d'un potentiel empirique de type Born-Mayer-Huggins, construit sur la base de résultats de dynamique moléculaire ab initio (AIMD) et expérimentaux. Il montre de bonnes propriétés de transférabilité sur toutes les concentrations pour les propriétés structurales et dynamiques étudiées. L'évolution des propriétés structurales a été étudiée en fonction de la température et de la concentration en silice pour trois rapports de concentrations R = [CaO]/[Al2O3]= 1, 1.57 et 3. Les résultats révèlent la présence d'oxygènes non-pontants et tricoordonnés et d'aluminium penta-coordonnés pour toutes les concentrations dont le nombre diminue avec l'augmentation avec la concentration en silice. L'étude de la viscosité et du temps de relaxation structural avec la température a permis de montrer que la fragilité diminue avec l'augmentation de la concentration en silice pour les trois valeurs de R. Une corrélation avec l'évolution des oxygènes non pontant indique que ces derniers jouent un rôle prépondérant pour la fragilité. Il est montré que la théorie des couplages de modes s'applique à la dynamique des CAS et qu'une violation de la relation de Stokes-Einstein se produit au-dessus du point de fusion expérimental indiquant une hétérogénéité dynamique. / The aim of this work is to study the structural and dynamic properties of calcium aluminosilicate glasses CaO-Al2O3-SiO2 (CAS) by classical molecular dynamics, using an empirical potential of the Born-Mayer-Huggins type, built on the basis of ab initio molecular dynamics (AIMD) and the experimental results. This potential proves to be transferable for all concentration and the structural and dynamic properties studied. The evolution of structural properties has been studied as a function of temperature and silica content for the three concentration ratios R = [CaO]/[Al2O3]= 1, 1.57 et 3. The results reveal the presence of non-bonding oxygen, oxygen triclusters and AlO5 structural units for all the concentrations whose number decrease with increasing silica content. The study of the temperature evolution of the viscosity and structural relaxation time shows that the fragility decreases with the increase of silica content for all values of R. A correlation with the evolution of the number non-bonding oxygen indicates that they play a preponderant role for the fragility. It is shown that the mode coupling theory can be applied to the dynamics of the CAS and that a violation of the Stokes-Einstein relation occurs well above the experimental melting point indicating a dynamical heterogeneity. Keywords: calcium aluminosilicate, diffusion, viscosity, fragility, BMH potential, molecular dynamics, dynamical heterogeneity, non-bonding oxygen.

L'étude des nanoagrégats métalliques supportés sur des oxydes est d'une importance primordiale autant au niveau fondamental que technologique, notamment dans le domaine de l'énergie. Les nanoparticules à base de platine supportées sur alumine Gamma sont largement utilisées comme catalyseurs hétérogènes ultradispersés, en particulier sous atmosphère réductrice d'hydrogène. Leur réactivité et leur sélectivité sont intimement liés à la géométrie locale et à la densité électronique des sites actifs. Ces dernières sont particulièrement ardues à définir, étant donnée la très faible taille des agrégats étudiés (environ 0.8 nm de diamètre). La spectroscopie XANES (X-Ray Absorption Near Edge Structure), nécessitant un rayonnement synchrotron, est un des outils les plus appropriés pour étudier ces systèmes, en particulier in situ, à l'échelle atomique. En effet les spectres XANES sont influencés par la géométrie locale et la symétrie de l'environnement des atomes (en particulier les angles entre les liaisons), le degré d'oxydation, les types de liaisons mis en jeu, et la structure électronique du système. Tous ces facteurs sont néanmoins difficiles à différencier et même à interpréter. Il est donc impossible de déduire de manière précise la structure des particules métalliques par la seule expérience, sans aucune comparaison avec des spectres simulés. La mise en place de modèles théoriques devient alors nécessaire. Nous mettons donc en oeuvre une approche associant expériences XANES haute résolution in situ et simulations quantiques, ces dernières visant à la proposition de modèles structuraux pertinents, à la quantification de la réactivité des agrégats et au calcul des caractéristiques spectrales pour comparaison à l'expérience. L'identification de la morphologie des particules, de l'interaction métal-support et du taux de couverture en H est ainsi rendue possible par l'association de l'expérience et du calcul. La bibliothèque de modèles existants de particules monométalliques de Pt supportées sur de l'alumine Gamma avec ou sans hydrogène adsorbé, est complétée par des modèles hydrogénés sur la face (110) et par des modèles de différentes tailles hydrogénés sur la face (100). Cette bibliothèque devenue assez complète a permis une étude de l'influence de la taille des particules, de leur morphologie, de leur structure électronique, des différentes face de l'alumine Gamma, ainsi que du taux de couverture en hydrogène sur la signature des spectres XANES. Cette première étude des catalyseurs monométalliques de platine, se conclue par la discrimination de certaines morphologies, mais surtout la quantification du taux de couverture en hydrogène des particules. Ensuite, des modèles de particules bimétalliques platine – étain supportés sur la face (100) de l'alumine Gamma sont élaborés avec adsorption d'hydrogène. Ces modèles permettent de mieux comprendre l'influence de l'étain sur la morphologie, les propriétés électroniques et l'interaction avec le support et l'hydrogène de ces agrégats. Différentes compositions ont été explorées, ce qui a apporté des informations sur la dilution du platine par l'étain. L'adsorption d'hydrogène a alors été étudiée sur des agrégats de Pt10Sn3 supportées sur la face (100) de l'alumine Gamma. Bien que de nombreux paramètres ne sont pas encore pris en compte dans ces modèles, la comparaison à l'expérience permet déjà d'avoir une première approximation sur la description de systèmes bimétalliques. / The study of metallic nanoclusters supported on oxides is of paramount fundamental and technological importance, particularly in the field of energy. The nanoparticles based on platinum supported on gamma alumina are widely used as highly dispersed heterogeneous catalysts especially under reducing hydrogen atmosphere. Their reactivity and selectivity are intimately related to the local geometry and the electronic density of active sites. These are particularly difficult to define, given the very small size of the studied particles (about 0.8 nm in diameter). XANES (X-Ray Absorption Near Edge Structure) spectroscopy requiring synchrotron radiation, is one of the most appropriate tools to study these systems, especially in situ, at the atomic scale. Indeed the XANES spectra are influenced by the geometry and symmetry of the atoms local environment (especially angles between bonds), the degree of oxidation, the bond types involved, and the electronic structure of the system . All these factors are nevertheless difficult to differentiate and even to interpret. It is therefore impossible to infer accurately the structure of the metal particles by experience alone, without any comparison with simulated spectra. The establishment of theoretical models becomes necessary. We are implementing an approach that combines high-resolution XANES experiments in situ and quantum simulations, the latter aimed at proposing relevant structural models to quantify the reactivity of the particles and calculating spectral characteristics for comparison to experiment. The identification of the clusters morphologies, the metal-support interaction and the hydrogen coverage is made possible combining experiments and quantum calculations. The library of existing monometallic Pt particles models supported on Gamma alumina with or without adsorbed hydrogen, is refined. New models considering the two main surface of Gamma alumina, the particle size and hydrogen adsorption are developed. This extended library of models enabled a study of the effect of particle size, morphology, electronic structure, different alumina faces, and the hydrogen coverage on the signature of XANES spectra. This first study of monometallic platinum catalysts, concludes with the discrimination of the morphologies, but especially with the quantification of the hydrogen coverage of the particles for each temperature and hydrogen pressure experimental condition. Then, models of bimetallic Platinum-tin particles supported on the (100) Gamma alumina face are performed with hydrogen adsorption. These models provide insights into the effect of tin on the morphology, the electronic properties and the interaction with the support and hydrogen of these clusters. Different compositions were explored, which provided information on the dilution of platinum by tin. The adsorption of hydrogen was then studied on Pt10Sn3 clusters supported on the (100) face of alumina. Although many parameters are not yet included in these models, the comparison to the experience already provides a first approximation to the description of bimetallic systems.

Dans cette thèse, l'étude de la dépostion des molécules de ferrocène sur un substrat de Cu(111) par des simulations de dynamique moléculaire par premiers principes, en particulier, la dynamique moléculaire utilisant l'approche de Born-Oppenheimer (BOMD: Born-Oppenheimer Molecular Dynamics) et celle utilisant la fonctionnelle de l'énergie libre (FEMD: Free Energy Molecular Dynamics), combinées avec les études expérimentales par microscopie à effet tunnel (STM) à basse température et à courant constant ont montré que ces molécules de ferrocène peuvent être physisorbées sur un substrat de cuivre sans donner lieu à une dissociation moléculaire. Ce qui constitue un système idéal pour étudier la dynamique des états d'interfaces et leur réactivité par rapport à la déposition d’atomes métalliques. En particulier, la déposition d'un atome de Cuivre au dessus d'une molécule de ferrocène équilibrée sur le substrat de cuivre, conduit à un transfert de charges de cet atomes vers le substrat de Cu(111). On montre aussi que ces états d'interfaces ont le comportement bidimensionnel d'un gas d'électrons libres. / First-principles simulations studies, in particular Born-Oppenheimer molecular dynamics (BOMD) and free energy molecular dynamics (FEMD), combined with low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy reveal a non dissociative physisorption of ferrocene molecules on a Cu(111) surface, giving rise to ordered molecular layers. At the interface, a 2D-like electronic band is found, which shows an identical dispersion as the Cu(111) Shockley surface-state band. Subsequent deposition of Cu atoms forms charged organometallic compounds that localize interface-state electrons.

La mesure de composition isotopique est utilisée dans l'étude du cycle biogéochimique du zinc ; cycle largement impacté par les activités anthropiques. Toutefois, l'interprétation de ces mesures réalisées sur des échantillons naturels ou synthétiques requiert la connaissance des propriétés isotopiques du zinc en condition d'équilibre (qui servent de référence) et la compréhension des mécanismes à l'origine des variations de composition isotopique. Dans ce travail, nous avons déterminé en réalisant des calculs quantiques, les constantes d'équilibre de fractionnement isotopique du zinc dans des phases solides et liquides. Nous avons mis en évidence les paramètres cristallochimiques qui contrôlent les propriétés isotopiques : la constante de force interatomique du zinc, les longueurs de liaisons Zn-premiers voisins et la charge électronique de ces premiers voisins. Nous avons réalisé un développement méthodologique permettant de calculer les propriétés isotopiques dans les phases liquides à partir de trajectoires de dynamique moléculaire à un coût réduit en temps de calcul. Nous avons montré à travers la modélisation du zinc aqueux, qu'une description raisonnable des forces de van der Waals par une fonctionnelle d'échange et de corrélation non locale est nécessaire à la stabilisation à conditions ambiantes du complexe hexaaquo zinc par rapport à d'autres complexes, réconciliant ainsi calculs et expériences. Ce travail met à disposition des études expérimentales une base de données cohérente de constantes d'équilibres isotopiques. / Isotopic compositions are used to study the biogeochemical cycle of Zn, which is greatly impacted by anthropic activities. However, the interpretation of the measurements performed on natural or synthetic samples requires the knowledge of Zn isotope properties in equilibrium conditions (as reference) and the understanding of the mechanisms that are at the origin of the isotopic composition variations. In this work, we determined by performing quantum calculations, equilibrium Zn isotope fractionation constants in various phases including solids and liquids. We highlighted the crystal-chemical parameters controlling the isotopic properties : Zn interatomic force constant, Zn-first neighbours bond lengths and the electronic charge on atoms involved in the bonding. We carried out a methodological development in order to calculate isotopic properties in liquid phases from molecular dynamics trajectories at a reduced computational cost. We showed through the modelling of aqueous Zn that a reasonable description of van der Waals forces using a non-local exchange correlation functional is required to stabilise the experimentally observed hexaaquo zinc complex over other complexes at room temperature. This work provides a consistent database of equilibrium Zn isotope fractionation constants for experimental works.

Les matériaux auxétiques ont la propriété contre-intuitive de s'élargir dans les directions perpendiculaires d'un étirement. Ils montrent potentiellement d'excellentes propriétés mécaniques, mais le défaut est que les structures synthétiques actuelles sont basées sur le niveau macroscopique, ce qui causent une porosité importante et diminue les propriétés mécaniques. Une hypothèse est qu'un mécanisme auxétique basé sur l'échelle moléculaire serait une méthode pour éviter ce problème, cependant aucune molécule ou structure organique auxétique n'a été synthétisée. Les polymères cristaux liquides du groupe de Griffin à Georgia Tech montrent un fort potentiel d'être auxétiques, néanmoins, en 2017, leurs différents matériaux ne montrent pas cette propriété. Le but de cette maîtrise est d'établir une méthode de simulation de polymères cristaux liquides potentiellement auxétiques, afin de trouver les paramètres favorisant ce comportement. La finalité du projet serait de présenter ces résultats à des groupes expérimentalistes, pour en effectuer la synthèse. Ces matériaux sont potentiellement extrêmement résistants, pouvant servir de fibre haute performance pour des applications dans des conditions extrêmes. Le premier chapitre de ce mémoire est dédié aux polymères cristaux liquides, traitant des différents types, des mésophases possibles et de leurs propriétés. L'emphase est particulièrement portée sur les polymères cristaux liquides auxétiques. Les systèmes d'intérêt pour ce projet y sont décrits plus amplement. Le deuxième chapitre est consacré aux techniques de simulation et numériques utilisées dans cette étude, telles que les méthodes ab initio et de dynamique moléculaire. Les avantanges et limitations des approches y sont présentés. Finalement, le troisième et dernier chapitre est dédié aux résultats obtenus, comme les paramètres du champ de forces obtenus, les observations reliées aux simulations par dynamique moléculaire et à la caractérisation des systèmes étudiés. Nous avons ainsi montré l'obtention d'une phase smectique A, puis smectique B à partir d'un système fondu, ce qui est, au meilleur de nos connaissances, une première dans le domaine de la simulation de polymères cristaux liquides. Cette observation rend attrayante la nouvelle méthode utilisée, qui consiste à paramétriser le champ de forces par des calculs quantiques pour des polymères cristaux liquides. Il y a cependant encore voie à de nombreuses améliorations possibles, puisque les transitions de phase sont à des températures très élevées (700K) et les simulations sont souvent instables.