Les microscopes champ proche micro-ondes sont des instruments émergents pour la caractérisation de matériaux. Dans ce travail, un microscope champ proche micro-ondes fait maison est d'abord décrit et analysé en termes de résolution et de largeur de bande de fréquences de fonctionnement. Ensuite, il est mis en œuvre pour la caractérisation d'une grande variété de matériaux tels que par exemple des métaux, des semi-conducteurs, des diélectriques, des liquides et des nanomatériaux 2D. Le système intégre un interférométre pour améliorer la sensibilité de la mesure pour des fréquences de fonctionnement couvrant la bande 2-18 GHz. La sensibilité et les différents modes de fonctionnement disponibles (contact, sans contact, environnement liquide) permettent d'adresser une grande variété de domaines d'applications. La résolution latérale obtenue par cet instrument est plus petite de plusieurs ordres de grandeur que la longueur d'onde de fonctionnement, ouvrant ainsi la voie à une caractérisation locale. Les propriétés électromagnétiques des matériaux ont été extraites en utilisant la méthode de perturbation et celle de la ligne de transmission. En particulier, les propriétés diélectriques de solutions salines aqueuses et l’impédance complexe du graphène ont été étudiées dans une large bande de fréquence. Ce microscope champ proche micro-ondes basé sur une méthode interférométrique qui permet une analyse quantitative des propriétés des matériaux de manière non-destructive peut adresser un grand éventail d’applications dans de nombreux domaines scientifiques. Enfin, l’ensemble des résultats montre que potentiellement la microscopie champ proche micro-ondes dispose des atouts pour devenir un outil de métrologie important pour la caractérisation en micro- et nano-électronique. / Near-field microwave microscopes are emerging instruments for materials characterization. In this work, a home-made near-field microwave microscope is first described and analyzed in terms of resolution performance and frequency band of operation. Then, it is applied to the characterization of a large variety of materials such as metals, semiconductors, dielectrics, liquids and 2D nanomaterials. The system is based on an interferometric technique to improve the measurement sensitivity in the entire frequency range of operation spanning from 2 to 18 GHz. The sensitivity and the different operating modes available (contact, non-contact, liquid environment) allow addressing a large variety of application fields. The instrument allows a sub-wavelength lateral resolution which is more than two orders of magnitude smaller than the operating wavelength, opening the way to a local characterization. The cavity perturbation and transmission line approaches have been used to extract the electromagnetic properties of materials. In particular dielectric properties of saline aqueous solutions and complex impedance of graphene have been investigated in a broad frequency band. It provides a quantitative analysis of material properties in a non-destructive manner to address numerous applications in many scientific fields. Finally, all the results together show that the interferometer-based near-field microwave microscope has the potential to become an important metrology tool for characterizations in micro- and nano-electronics.

Mycoplasma genitalium és una cèl·lula auto-replicant amb un genoma de mida petita que va ser desentrellat l’any 1995. En el present treball, dues proteïnes de M. genitalium, MG438 i MG200, potencialment implicades en la virulència del microorganisme i/o en processos patogènics, han estat objecte d’estudi, principalment des d’un punt de vista estructural. La proteïna MG438 correspon a una subunitat S d’un sistema de Restricció i Modificació (R-M) de tipus I. Aquestes subunitats estan involucrades en el reconeixement de seqüències de DNA en sistemes de R-M de tipus I. En M. genitalium, la MG438 apareix com una subunitat S orfe, suggerint que pot tenir altres funcions apart de la seva activitat específica en els complexes metiltransferasa (MTase) i endonucleasa (REase). L’estructura cristal·lina de MG438, la primera en ser resolta per a una subunitat S d’un sistema de R-M de tipus I, ha estat determinada usant el mètode de dispersió anòmala a múltiples longituds d’ona i refinada a una resolució de 2.3 Å. L’estructura consisteix en dos dominis globulars que consten cadascun d’ells d’uns 150 residus separats per un parell de llargues hèlices antiparal·leles d’uns 40 residus cadascuna que formen grans bobines levògires. Els dominis globulars corresponen als dominis de reconeixement de blancs (TRDs) mentre que les estructures tipus bobina corresponen respectivament a les regions conservades central (CR1) i C-terminal (CR2). A més, l’estructura de la MG438 presenta una topologia global cíclica amb un eix binari intra-subunitat que superposa les meitats N- i C-terminal de la molècula, cadascuna contenint un TRD i una CR. La ressemblança entre els TRDs i el domini petit de la TaqI MTase de tipus II, juntament amb la presència de la quasi simetria de la subunitat, va permetre proposar un model per al reconeixement dels DNAs objectiu. La comparació entre l’estructura de la MG438 i la d’una subunitat S pertanyent a l’arqueobacteri Methanococcus jannaschii, S.Mja, publicades pràcticament de manera simultània, posa en relleu les característiques estructurals conservades entre elles i al mateix temps, posa de manifest importants diferències en els TRDs i la seva disposició en relació als CRs. M. genitalium presenta un citoesquelet complex amb un orgànul terminal diferenciat que està implicat en l’adherència cel·lular i la motilitat. La MG200, localitzada en l’orgànul terminal, està directament implicada en la motilitat del micoplasma. La producció de la MG200 sencera va revelar que es comporta com un tetràmer en solució amb una gran tendència a agregar-se i una heterogeneïtat intrínseca que impedeix la seva cristal·lització. L’estructura cristal·lina de la EAGRb de la MG200 va ser resolta a una resolució de 2.9 Å pel mètode de dispersió anòmala d’una única longitud d’ona. Aquesta estructura és la primera peça d’informació estructural d’una proteïna de l’orgànul terminal. El domini presenta un nou plec que conté una simetria interna molt precisa que està relacionada amb una repetició de seqüència. La EAGRb forma un dímer, inclòs en la cel·la unitat del cristall, que és estabilitzat per un nucli hidrofòbic molt conservat. Algunes de les característiques del domini, tals com la seva plasticitat i la presència i organització dels eixos de simetria intra- i inter-subunitats, donen lloc a un desequilibri d’interaccions que suggereixen que la EARGb juga un paper important en les interaccions proteïna-proteïna. La informació sobre possibles estructures quaternàries de cadascun dels dominis de la proteïna MG200, juntament amb els estudis preliminars de microscòpia electrònica, van permetre proposar l’existència d’una simetria 222 (D2) per la proteïna MG200. Les particulars propietats dels dominis DnaJ i EAGRb podrien permetre la interacció amb altres components de l’orgànul terminal i resultar en la formació de les estructures supra-moleculars observades en l’orgànul terminal de cèl·lules de M. pneumoniae. / Mycoplasma genitalium is a self-replicating cell with a small genome size and just a small percentage of protein structures known, whose genome was completely unravelle in 1995. In the present work two M. genitalium proteins, MG438 and MG200, potentially implicated in the microorganism virulence and/or pathogenicity processes, were mainly studied from a structural point of view. The MG438 protein constitutes a type I Restriction-Modification (R-M) S subunit. These subunits are involved in the DNA sequence recognition in type I R-M systems. In M. genitalium, MG438 appears as an orphan S subunit suggesting it can have other functions rather than its regular activity in the methyltransferase (MTase) and restriction endonuclease (REase) complexes from type I R-M systems. The MG438 crystal structure, the first described from a type I R-M S subunit, was determined by the Multiple-wavelength Anomalous Dispersion method and refined at 2.3 Å resolution. The protein consists of two globular domains of about 150 residues each, separated by a pair of 40 residues long antiparallel α-helices, which form a left-handed super-coil. The globular domains correspond to the variable Target Recognition Domains (TRDs) while the coiled-coil structure correspond to the central (CR1) and C-terminal (CR2) Conserved Regions, respectively. Moreover, the MG438 structure presents an overall cyclic topology with an intra-subunit two-fold axis that superposes the N- and C-half parts of the molecule, each half containing a TRD and a CR. The straight structural resemblance found to exist between TRDs and the small domain of type II R-M N6-adenine DNA TaqI MTase, together with the presence of the intra-subunit quasi-symmetry in MG438, allowed the proposal of a model for the recognition of the target DNAs by the S subunits. The comparison between the MG438 structure and the almost simultaneously reported structure of an S subunit from the archae Methanococcus jannaschii, S.Mja, highlights the preserved structural features despite the low sequence identity. The comparison also reveals important differences in the TRDs and in their disposition with respect to the CRs. M. genitalium presents a complex cytoskeleton with a differentiated terminal organelle that is involved in cell adherence and motility. The MG200 multi-domain protein, thought to be localized in the terminal organelle, was found to be directly involved in mycoplasma motility. Production of the full-length MG200 protein revealed that it behaves as a tetramer in solution but also has a high tendency to aggregate and an intrinsic heterogeneity which prevents crystallization and, consequently, the X-ray crystal structure determination. The crystal structure of the EAGRb domain from the MG200 protein was solved to 2.9 Å resolution by the Single-wavelength Anomalous Dispersion method. This structure is the first piece of structural information from any terminal organelle protein. The domain presents an essentially new fold containing an accurate intra-domain symmetry, which relates with a sequence repeat. The EAGRb forms a dimer, contained in the crystal asymmetric unit, which is stabilized by a conserved hydrophobic core. Some of the domain features, such as its plasticity and the presence and organization of the intra- and inter-subunits symmetry axes, which result in the unbalance of interactions, strongly suggest a role for the EAGRb in protein-protein interactions. Information on the possible quaternary structures for each of the MG200 protein domains, together with preliminary single particle Electron Microscopy studies, allowed the proposal of a 222 (D2) symmetry for the full-length MG200 protein. The particular properties of the MG200 DnaJ and EAGRb domains could permit the interaction with other components of the terminal organelle and result in the formation of supra-molecular structures as the ones observed in the terminal organelles of M. pneumoniae cells.

Tesi realitzada a l'Institut de Biologia Molecular de Barcelona (IBMB-CSIC) / ARCIMBOLDO is an ab initio phasing method for macromolecular crystallographic X-ray diffraction data, which combines location of model fragments such as polyalanine α- helices with the program PHASER and density modification and main chain autotracing with the program SHELXE. The method has been named after the Italian painter Giuseppe Arcimboldo (1526-1593), who used to compose portraits out of common objects such as fruits and vegetables. Following the analogy, ARCIMBOLDO composes an unknown structure by assembling small secondary structure elements, which are conserved across families of unrelated tertiary structure. Exploiting this method requires a multi-solution approach due to the difficulty to recognize correct solutions at early stages. Moreover, phasing a structure starting from partial information provided by such a small percentage of the total model (around 10% of the main chain atoms) is challenging and requires evaluation of alternative hypotheses under statistical constraints to avoid combinatorial explosion. ARCIMBOLDO methods have proven successful in many cases of previously unknown structures[3] and also on a pool of test structures[4]. The program can accept any Sohnke space group and all the most frequent ones are represented in the pool of structures solved so far. In both studies data were collected in the most common protein space groups. Data quality is crucial for phasing methods, and particularly sensitive for ARCIMBOLDO, where low resolution (worse than 2.1 Å) and lack of completeness (less than 98%) drastically decrease the chance of success. Location of secondary structure elements is not indicated as phasing method for large structures or complexes (over 400 residues) unless very long helices are present and high resolution data are available. Such cases would require the placement of many fragments in order to assemble 10% of the main chain, which can lead to an unmanageable number of solutions. To approach correctly this different scenario we have implemented dedicated methods in ARCIMBOLDO_BORGES[7] and ARCIMBOLDO_SHREDDER[8]. These programs exploit libraries of folds or large search models and are described later in the text. The current implementation[4], coded in Python, is deployed as a standalone binary, freely available under registration from http://chango.ibmb.csic.es/download. The binary is compatible with common Linux distributions and latest versions of the Mac OSX operating system. Users can find online manuals, tutorials and documentation in our website. As of 30th April 2015, it has been downloaded 664 times and distributed to 121 research groups; furthermore, it has been installed in many European synchrotron facilities such as the Alba Synchrotron in Spain, the Diamond Light Source in United Kingdom and SOLEIL Synchrotron in France. The software is also available through SBGrid Consortium (https://sbgrid.org), a network of institutions across 19 countries, which provides a distributed grid network of computers to run structural biology software. We have recently started a collaboration with the San Diego Supercomputer Center (http://www.sdsc.edu) in California (USA), to develop optimized and dedicated versions of the programs for their platform with the aim of addressing difficult phasing cases. Due to this recent spread in the crystallographic community ARCIMBOLDO has been presented in many international conferences such as the International Union of Crystallography Meeting in Madrid (ES) 2011 and in Montreal (CA) 2014; the European Crystallographic Meeting in Bergen (NO) 2012, Warwick (UK) 2013; and many schools and workshops such as the International School of Crystallography in Erice (IT) 2012 and Macromolecular Crystallography School in Madrid (ES) 2014. This thesis is organised in the standard scientific format comprising five main parts: 1. INTRODUCTION: introducing the theoretical topics directly or indirectly related to the contents of the thesis and also discussing the state of the art of current scientific production related to the objective proposed. 2. OBJECTIVES: listing all general goals and particular aims of the doctoral project conducted. 3. MATERIALS AND METHODS: detailing the hardware and software environment, including third party software and algorithms employed in the project. 4. RESULTS AND DISCUSSION: presenting all the produced algorithms, software, experiments and tests that correspond to the prefixed objectives. 5. CONCLUSION: summarising the whole project and listing its achievements by the end of the doctoral studies. / ARCIMBOLDO es un método de resolución de estructuras macromoleculares cristalográficas ab intio, que combina la localización de pequeños fragmentos modelo tales como hélices alfa con modificación de la densidad electrónica y trazado automático de la cadena polipeptídica. El método ha sido denominado como el pintor italiano Giuseppe Arcimboldo, quien componía retratos con objetos comunes, tales como libros o vegetales. De modo análogo, nuestro método compone hipótesis estructurales colocando pequeños fragmentos de estructura, cuando la subestructura resultante es suficientemente próxima a la real, la modificación de la densidad electrónica muestra su “retrato”. Si por el contrario la hipótesis es incorrecta, el resultado es un mero “bodegón”. El presente trabajo se centra en el desarrollo de este método y su extensión del uso de fragmentos de estructura seundaria a pequeños plegamientos locales y estructuras terciarias derivadas de modelos de baja homología. • El método se ha caracterizado por necesitar computación masiva para tratar la enorme cantidad de hipótesis generadas, pero en el presente trabajo hemos implementado una versión tan optimizada que resuelve estructuras cristalográficas en una estación de trabajo única • Más allá de las hélices alfa de polialanina, se ha extendido el uso a fragmentos cortados de modelos de baja homología, desarrollando un método para determinar y extraer la subestructura de más similaridad contra los datos experimentales, en concreto la función de rotación. Implementación de SHREDDER. • La extensión del método ab initio del uso de estructura secundaria a terciaria requería utilizar librerías de hipótesis de plegamiento que representaran una vasta colección de posibilidades. Se ha desarrollado una herramienta para generar tales librerías, el programa BORGES y un formalismo subyacente basado en vectores característicos. • Desarrollo de un método e implementación de un programa para resolver estructuras empleando las librerías de plegamientos inespecíficos: ARCIMBOLDO_BORGES. Todos estos objetivos se han cumplido satisfactoriamente.

El fosfato de L-histidina ácido fosfórico (LHP) cristaliza formando una estructura monoclínica no centrosimétrica debido a la presencia de un catión quiral. La estructura de estos cristales está formada por capas de histidina y de fosfato con ácido fosfórico alternadas. Las moléculas están unidas por una compleja red de puentes de hidrógeno, algunos de ellos muy fuertes.La densidad electrónica de este material ha sido determinada experimentalmente a partir de difracción de rayos X y neutrones. Para obtener la densidad electrónica, se midió un conjunto de intensidades de rayos X que comprendía reflexiones de alto ángulo. Tanto en el experimento como en el posterior tratamiento de los datos de rayos X se tuvo especial cuidado en obtener un conjunto de datos de alta calidad, condición indispensable para poder observar la reducida contribución de la densidad de deformación a las intensidades experimentales. La densidad electrónica se obtuvo tras ajustar un modelo de pseudoátomos a las intensidades experimentales, tomando como punto de partida un modelo de átomos independientes de la densidad electrónica construído a partir de la estructura de alto orden de rayos X y la estructura de neutrones.La densidad electrónica de pseudoátomos fue comparada con el resultado de cálculos ab inito sobre las moléculas del LHP aisladas y con la geometría del cristal. En general se observa un buen acuerdo entre densidad de pseudoátomos y ab initio para las propiedades topológicas en los puntos críticos de enlace para todas las interacciones excepto los enlaces covalentes H-X (X=C,N,O), donde se producen fuertes discrepancias. La integración de la carga y el momento dipolar sobre los volúmenes atómicos, definidos a partir de las líneas de gradiente de la densidad electrónica, muestra la existencia de importantes transferencias de carga entre el fosfato y el ácido fosfórico relacionadas con los fuertes puentes de hidrógeno que unen estas moléculas. No se observan grandes cambios en el momento dipolar de las moléculas del LHP a causa del entorno cristalino, si bien se producen incrementos significativos en el momento dipolar del fosfato y el ácido fosfórico.El análisis del potencial electrostático, calculado a partir del modelo de pseudoátomos sobre conjuntos aislados de moléculas con la configuración del cristal, muestra la presencia de bandas electrófilas y nucleófilas alternadas sobre las láminas de fosfato y ácido fosfórico. Sobre estas bandas aparecen los puntos donde las moléculas de L-histidina interaccionan con estas láminas, explicando así la disposición de estas moléculas en el cristal.Para profundizar en el análisis del potencial electrostático, se desarrolló un programa capaz de calcular las líneas de campo eléctrico y de detectar los puntos críticos del potencial electróstático además de sus propiedades topológicas. Este programa fue utilizado para analizar varios modelos de pseudoátomos, entre ellos el LHP, mostrando cómo las líneas de campo eléctrico y los puntos críticos del potencial electrostático delimitan las zonas de influencia de los grupos electrófilos y nucleófilos.El análisis topológico del potencial electrostático muestra que entre dos átomos enlazados aparece un punto crítico de enlace similar al de la densidad electrónica, situándose ambos puntos críticos en posiciones diferentes. Las propiedades topológicas en este punto crítico muestran dependencias exponenciales con la distancia de enlace similares a las observadas en los puntos críticos de la densidad electrónica para los puentes de hidrógeno. Las relaciones entre propiedades topológicas de la densidad electrónica y el potencial electrostático en estos puntos críticos de enlace revela que, mientras algunas propopiedades topológicas presentan una verdadera dependencia exponencial, en el resto de propiedades esta dependencia es sólo aparente. / The phosphate of L-histidinium phosphoric acid (LHP) forms monoclinic crystals with a non-centrosymmetric structure due to the presence of a quiral cation. The structure of these crystals is described by the stacking of histidinium and phosphate with phosphoric acid layers. A complex network of hydrogen bonds, some of them very strong, join the molecules.The electron density in this material has been experimentally determined from X-ray and neutron diffraction data. For obtaining the electron density, a set of X-ray intensities comprising high order reflections was measured. Along the experiment and in the subsequent data treatment of the X-ray data special care was put in obtaining a high quality dataset. This is necessary for observing the small contribution of the deformation electron density to the experimental intensities. The electron density was obtained after adjusting a pseudoatom model to the experimental intensities, taking as starting point an independent atom model of the electron density which was build from the structures from X-ray high order and neutron data.The pseudoatom electron density was compared with the results of ab initio calculations on the LHP molecules isolated and with the crystal geometry. In general, a good agreement between pseudoatom and ab inito densities is observed for the topological properties in the bond critical points for all interactions but covalent H-X (X=C, N, O) bonds, where strong discrepancies are observed.The integration of the charge and the dipolar moment over the atomic volumes, defined from the gradient lines of the electron density, shows important charge transfer between phosphate and phosphoric acid related with the strong hydrogen bonds joining these molecules. There are no large changes in the dipolar moment of the LHP molecules due to the crystal environment, but a significant increase in the phosphate and phosphoric acid dipolar moments is observed.The analysis of the electrostatic potential, which was calculated from the pseudoatom model in isolated clusters of molecules with the crystal configuration, shows the presence of electrophilic and nucleophilic bands in the phosphate and phosphoric acid layers. In these bands the points to which the molecules of L-histidinium interact with the layer are found, explaining the disposition of these molecules in the crystal.In order to increase the capability of the electrostatic potential analysis, a program was written for the calculation of the electric field, the detection of the electrostatic potential critical points and the calculation of their topological properties. This program was used for analysing a set of pseudoatom models, including the LHP. The results show the way in which the electric field lines and the electrostatic potential critical points delimit the volume where the influence of the electrophilic and nucleophilic groups extends.In the topological analysis of the electrostatic potential, a bond critical point between two bonded atoms similar to the one observed in the electron density is observed, being both bond critical points at different positions. The topological properties in this critical point show exponential dependencies with the bond distance similar to the ones observed in the electron density critical points for the hydrogen bonds.The relationship between the topological properties of the electron density and the electrostatic potential in the bond critical points reveals than, while some topological properties present a true exponential dependency, in the rest of properties this dependency is only seeming.

A novel approach to the problem of describing interacting magnetic ions has been put forward by Stevens. The work contained herein offers the first major test of the new formalism; applied specifically to binuclear systems in which magnetic Cr3+ ions occur in discrete pairs of D3h symmetry. Each interacting pair is regarded as a unit; wavefunctions suitable for describing the pair are constructed in determinantal form. The wavefunctions of D3h symmetry are used to define the unperturbed Hamiltonian. An effective Hamiltonian is then used to obtain the energy levels in a restricted energy range. (The region of the 2TI levels of the single Cr3+ ion). A set of selection rules is derived. With direct comparison with experimental results the success of theoretical predictions is estimated. Certain interval relations are obtained. There is no first order spin-orbit splitting. Through second order perturbation the maximum values of the spin-orbit coupling constant are found for three materials. The theoretical Zeeman splittings are stated.

- / -

We develop several new algorithms using molecular simulation to investigate the nucleation barrier of a single, freely-jointed polymer chain. In the first part of the thesis, we use a free particle model to develop a new biasing technique, which uses an automated feedback mechanism to overcome the poor sampling of crystal states in a thermodynamic system. Our feedback technique does not require any prior knowledge of the nucleation barrier and enables good representative sampling of all available states of interest. In the second part of the thesis, we simulate the nucleation barrier of the single, freely-jointed, square-well chain. We use our feedback technique and parallel tempering with a nonstandard temperature distribution to overcome poor sampling of crystal states and configuration mixing issues respectively. We also provide some comparative analysis of different choices of configurational order parameters for the single chain. Finally, we apply stretching to the chain to approximate flow-induced crystallisation and investigate the effect of different degrees of stretch on the nucleation barrier. We verify the quality of our simulation with careful monitoring of several criteria, including the acceptance ratios of configuration swaps between simulations with adjacent temperatures, evolution of the energy traces as a result of configuration swaps between tempering levels, and ensuring effective de-correlation of configurations through reptation moves. Our simulations provide strong reproducible results for the base, the peak and beyond the peak of the barrier for the quiescent and stretched single chain. We observe a remarkably strong effect of modest stretching on the nucleation barrier for a single chain, which can potentially lead to dramatic effects on the nucleation rate. Our simulation code has been made publicly available, with details provided in an appendix.

In the practice of solid state chemistry, structural phase transitions are fairly common events. Nonetheless, their understanding, in terms of both: A rationalization of the observed changes in symmetry pattern and; An understanding of the mechanisms allowing for a particular transformation, are outstanding problems. The thermodynamic classification of phase transitions distinguishes between first and second order transitions, on the basis of the discontinuous behavior of quantities related to first or second derivatives of the free energy, respectively. Small atomic displacements are typically associated with second order phase transitions, and latent heat changes amount to a few calories per gram only. Additionally, the symmetries of the phases surrounding the transition are typically in the relation of a group and a subgroup. Reconstructive phase transitions, on the contrary, involve breaking of (large) parts of the bond scaffolding of the initial structure, and exhibit drastic changes at the transition point, with large latent heat and hysteresis effects. The corresponding atomic displacements can be in the order of the lattice parameters, and no group-subgroup is found, between the symmetry of the phases. These type of transitions have generally a strong first-order character. Landau theory accounts for continuous, second-order phase transitions. As a phenomenological theory, it does not establish the existence of a phase transition, which remains an experimental fact. It only bridges microscopic characteristics, like space-group symmetries and structural changes, or phonon softening effects, with measurable macroscopic quantities. Therein, distortions are carried by an order parameter, which fully specifies the form of the analytical variational free energy. The latter is continuous and derivable with respect to temperature, pressure and atomic displacement, at the transition point. First order, non-continuous phase transitions are still within the scope of Landau theory in the mentioned special case of the existence of a group-to-(isotropic) subgroup relationship. In the majority of cases, however, and for the most interesting phase transitions (for basic and applied research), such a relationship is missing, making the choice of an order parameter less straightforward. Most of the allotropic transformations of the elements, many intermetallic systems, and numerous insulating systems belongs to this class. This class also includes most interesting and fundamental electronic effects, like metallization in perovskites or spinel oxides for example. This very simple fact of a missing symmetry condition has helped reinforcing the opinion of first-order phase transitions being a world apart, and possibly contributed to discouraging a firm theory to develop, able to account for their transformation mechanisms and the change of physical properties across phase transition. The thermodynamic distinction between first and second order phase transitions is too narrow, as, in case of first order phase transitions, it embraces both weakly discontinuous transition and reconstructive ones, where bonds are being strongly modified. Especially, a mean to qualify the distance between two structures (geometric, with respect to symmetry, a.s.o.), is missing. Clearly, a group-subgroup relationship may, and typically does imply shortest shifting distances, as a tiny atomic displacement can already do for a symmetry lowering. Naively, missing such a relation means no constraints, and apparently no means to conclude at a connection of two structures in general, let alone a full mechanistic analysis. First order phase transitions proceed by nucleation and subsequent growth of the new phase from the initial one. Different from (second-order) continuous phase transitions, they do imply coexistence of the transforming motifs. The discontinuity in some order parameter between the two phases is driven by lowering of the free energy as the new phase forms. However, close to the transition, the original phase remains metastable, and a fluctuation is needed to cause the formation of the new phase to set in. Such a process responds to thermal changes, and depending on the height of the nucleation barrier, its rate may be slower or faster. In the former case, large deviations from equilibrium may be required to achieve transformation to the stable phase, which means that large hysteresis effects will be observed in the course of transformation. The intent of this work consists in giving a face to the intermediate configurations appearing in first order phase transitions, in solid-solid reconstructive processes. Apart of a mechanistic elucidation, consisting in answering the question “Which atomic displacements bring structural motif A into structural motif B ?”, another purpose of this work is a rather pedagogical one, that is, showing that first-order phase transitions can be understood in detail, not only in principle but in fact. The core of the examples illustrated in this work is concerned with phase transformations where pressure represents the thermodynamic controlling parameter. Pressure is extensively used in chemical synthesis, as a mean to achieve novel properties, optical or mechanical just to mention a few. Additionally, reports on novel high-pressure polymorphs are regularly appearing. In this sense, pressure is a relevant parameter for approaching fundamental questions in solid state chemistry.

Waters from mines (acid mine drainage-AMD), contain elevated concentrations of SO-24, Fe and other contaminant metals, which can persist in the environment during centuries. The purpose of AMD treatments is to retain metals and to neutralize the acidity. One of the employed treatment systems is the anoxic limestone drainage (ALD), characterized by low maintenance and cost. The efficiency of the ALD is however limited by secondary mineral precipitation (ppt) causing the passivation (pass) of the limestone grains and the pores clogging. The presence of aqueous sulfate leads to gypsum (gyp) ppt, which contributes to pass and affects the ALD¿s efficiency. This PhD study is focused on the loss of reactivity of calcite (cal), aragonite (ar) and dolomite (dol) due to grain coating or clogging of porosity. To this end, three types of experiments were conducted: column, batch and in-situ AFM experiments. Columns experiments were carried out injecting synthetic acidic solutions (sulfate with Fe(III) or Al pH 2-3, H2SO4) at constant flow (6x10-4 and 1x10-3 L m-2 s-1) in the columns packed with cal, ar or dol grains. The columns worked efficiently removing aqueous metals as long as cal dissolved and buffered the solution pH. However, Ca released from dissolving cal and the sulfate in solution, promoted gyp ppt on the cal surfaces preventing his dissolution (diss). This pass process limited the efficiency of the columns. Larger input sulfate concentrations or higher pH led to shorter pass times. Observations with X-ray microtomography and X-ray microdiffraction showed the coating of gyp on the cal and secondary oxyhydroxides between the grains. This favored the formation of preferential flow paths, isolating regions of non-reacted grains. An improved experimental design (mixing limestone grains and glass beads) minimized the formation of these preferential flow paths. Experimental results have been modeled with the CrunchFlow reactive transport code. Fitting of the results required a decrease in the reactive surface area of cal, which is consistent with the pass process. Batch experiments (pH 2 H2SO4 solution equilibrated with respect to CaSO4¿2H2O) were performed to study the coupled reactions of diss of cal, ar and dol and ppt of gyp. The three carbonate minerals acted as carbonate substrates on which gyp grew. Along the experiments three stages were distinguished: gyp ppt induction time, diss of the carbonate substrate coupled with gyp ppt, and achievement of equilibrium with respect to the carbonate mineral. The induction time was similar during diss of cal and ar (same diss rate). During diss of the carbonate minerals the pH raised from 2 to ~7, decreasing the carbonate mineral diss rate and stopping the gyp ppt as equilibrium with respect to CaCO3 was approached. The gyp ppt rates were similar when cal and ar dissolved, regardless the morphology of substrate. In-situ atomic force microscopy (AFM) experiments were performed to study the cal and dol diss and gyp ppt in Na2SO4 and CaSO4 solutions (pH 2-6). The carbonate diss took place at the (104) cleavage surfaces in sulfate-rich solutions undersaturated with respect to gyp, by the formation of characteristic rhombohedral-shaped etch pits. Rounding of the etch pit corners was observed as solutions approached close-to-equilibrium conditions with respect to cal. The calculated diss rates of cal at pH 4.8 and 5.6 agreed with the values reported in the literature. When using solutions previously equilibrated with respect to gyp, gyp ppt coupled with cal diss showed short gyp nucleation induction times. The gyp precipitate quickly coated the cal surface, forming arrow-like forms parallel to the crystallographic orientations of the cal etch pits. Gyp ppt coupled with dol diss was slower than that of cal, indicating the diss rate to be the rate-controlling step. The resulting gyp coating partially covered the surface during the experimental duration of a few hours. / Las aguas que proceden de minas (en ingles acid mine drainage-AMD) contienen altas concentraciones de SO4 y metales contaminantes que pueden perdurar siglos en el medio ambiente. El objetivo de los tratamientos de AMD es retener los metales y neutralizar la acidez de las AMD. Uno de los sistemas de tratamiento usado, es el drenaje anóxico a través de caliza (clz) (en inglés anoxic limestone drainage, ALD) que necesita escaso mantenimiento y bajo presupuesto. La eficiencia de los ALD está limitada por la precipitación (ppt) de minerales secundarios (yeso e Me-hydroxidos) que causa el recubrimiento de los granos de clz (pasivación, pass) y la colmatación de los poros reduciendo la reactividad de la clz y su poder tampón. Esta tesis esta enfocada en los procesos que afectan a los minerales carbonatos usados en el ALD y en la pérdida de reactividad de la calcita (cal), aragonita (arag) y dolomita (dol) debido a la pass. Con este fin se llevaron a cabo tres tipos de experimentos (25 °C, 1 atm): de columna, batch e in situ con microscopio de fuerza atómica (AFM). Experimentos de columnas: Se inyectaron soluciones ácidas sintéticas (pH2) ricas en Fe (III) o Al con flujo constante de 6x10-4 o 1x10-3 L m-2 s-1 en columnas rellenadas con granos de cal, arag o dol. Las columnas han retenido los metales durante la disolución (diss) de los carbonatos, aumentado el pH e promoviendo la ppt (ppt) de oxihidróxidos de los metales. El Ca liberado durante la diss, junto con el sulfato, ha precipitado como yeso causando el recubrimiento de la superficie de los granos. El recubrimiento impide la diss de los carbonatos y limita la eficiencia de las columnas. Altas concentraciones de sulfato y pH más ácidos produjeron tiempos de pass más rápidos. Mediante micro-tomografía de rayos X (mCT) y micro-difracción de rayos X (mXRD), se mostró que el recubrimiento de los granos de carbonatos se debe a la ppt de yeso y que los oxihidróxidos precipitan entre los granos, la cual cosa favoreció la formación de flujos preferenciales, aislando regiones donde no se producen reacciones entre solución circulante y granos. El flujo preferencial se ha visto reducido cuando se han mezclado los carbonatos con esferas de vidrio. Los resultados experimentales se han modelado con el código CrunchFlow ajustando el valor de del área reactiva de la cal en el modelo con los datos experimentales, corroborando el proceso de pass en los experimentos. Se realizaron experimentos de tipo batch para estudiar la diss de cal, dol y arag (granulometria: 100-300 mm;1-2 mm, y 1.5 x 1.2 x 0.5 cm) y la ppt de yeso sobre la superficie de los carbonatos y a pH 2 (solución de H2SO4 equilibrada respecto al CaSO4¿2H2O). A lo largo de los experimentos se han distinguido tres fases: tiempo de inducción para la nucleación del yeso; fase de diss de los carbonatos con la simultánea ppt de yeso; equilibrio alcanzado entre la solución y el mineral carbonatado. Durante la diss de carbonatos, el pH subió de 2 a ~7, ralentizando la cinética de diss y la velocidad de ppt de yeso hasta llegar a cero una vez alcanzado el equilibrio con CaCO3. Además resultó que independientemente del sustrato la velocidad de ppt del yeso fue similar. Los experimentos in situ AFM se realizaron con soluciones de Na2SO4 y CaSO4 y pH entre 2-6 para estudiar el proceso acoplado de la diss de cal o dol con la ppt de yeso. La diss de los carbonatos tuvo lugar en las superficies de exfoliación (104). Se han observado distintas formas de diss (etch pits), con estructura típica romboédrica y el redondeo de los bordes de los etch pits conforme se aproximaban a condiciones de equilibrio con respecto a la cal. El yeso precipitado recubrió rápidamente la superficie de la cal, con morfología de flecha y ejes paralelos a las orientaciones cristalográficas de los etch pits de la cal. La ppt del yeso en el caso de la diss de dol fue más lento y parcial, lo que indica que la velocidad de diss controla la velocidad de las reacciones. / Les aigües que procedeixen de l'activitat minera, conegudes com aigües àcides de mina (en anglès acid mine drainage, AMD) contenen normalment altes concentracions de sulfat, ferro i altres metalls contaminants associats. Aquests contaminants poden perdurar en el medi ambient fins a segles després del cessament de l'activitat minera. Els principals objectius dels tractaments AMD són la retenció de metalls (precipitació dels metalls contaminants) i la neutralització de l'acidesa de les aigües. Un dels possibles sistemes de tractament passiu, i dels més utilitzats, és el drenatge anòxic amb calcària (en anglès, anoxic limestone drainage, ALD), o sistemes derivats (per exemple, la reducció i els sistemes de producció d'alcalinitat), que es caracteritzen pel poc manteniment requerit i el baix cost. No obstant, l'eficiència dels sistemes d'ALD està limitada per la precipitació de minerals secundaris que causa la passivació (recobriment) dels grans de calcària i l'obstrucció dels porus entre ells, reduint així la reactivitat de la calcària i, per tant, el poder tampó. La presència de sulfat aquós indueix la precipitació de guix, que contribueix en gran mesura a la passivació de la calcària i afecta l'eficiència dels sistemes de tractament. Aquesta Tesi té com a objectiu principal millorar els nostres coneixements sobre el funcionament de minerals carbonats utilitzats en ALD i la pèrdua de la reactivitat de la calcita, aragonita i dolomita a causa del recobriment dels grans o l'obstrucció dels porus entre grans. Amb aquesta finalitat, es s’han dut a terme tres tipus d'experiments: (1) experiments de columna, (2) de tipus batch i (3) experiments in situ amb AFM. (1) Els experiments de columnes emplenades amb grans de calcita, aragonita o dolomita (de diàmetre 1-2 mm) es van realitzar per estudiar el comportament dels sistemes de tractament passiu emprats en el drenatge àcid de mines (AMD). Es van injectar solucions àcides sintètiques (principalment a pH2, H2SO4) rica en ferro (Fe (III)) o alumini. Durant els experiments, el flux de la solució d'entrada es va mantenir constant a la velocitat de Darcy de 6x10-4 a 1x10-3 L m-2 s-1. Les columnes han eliminat eficientment el ferro i l’alumini aquosos mentre que la dissolució dels carbonats ha tamponat el pH de la solució (augment del pH i inducció de la precipitació d’oxihidróxids de Fe (III) - o d'Al). No obstant, el Ca alliberat en solució pels minerals carbonats, juntament amb el sulfat aquós, va induir la precipitació de guix, que és la principal causa de recobriment (passivació) a les superfícies dels grans. Aquest recobriment ha impedit conseqüentment la dissolució de calcita limitant l'eficiència de les columnes. Concentracions més altes del sulfat d'entrada i pH més àcids van originar temps de passivació més ràpids. La caracterització de l'estructura dels porus i de la composició química dels sòlids mitjanament la per micro-tomografia de raigs X (MCT) i micro-difracció de raigs X (mXRD), va mostrar que el recobriment dels grans de carbonats és degut a la precipitació de guix i que els oxihidróxids secundaris tendeixen a precipitar entre els grans. La precipitació de minerals secundaris va afavorir la formació de fluxos preferents, aïllant regions on no es produeixen reaccions entre la solució circulant i els grans. L'efecte de la formació del flux preferent s'ha reduït utilitzant un disseny diferent a les columnes (barrejant els grans de carbonats amb esferes de vidre inerts). Els resultats experimentals s'han modelitzat amb el codi de transport reactiu CrunchFlow. Per tal que les dades experimentals i les del model coincidissin s'ha ajustat al valor de l'àrea reactiva de la calcita en el model, consistentment amb el procés de passivació en els experiments. (2) Es van dur a terme experiments de tipus batch a 25 ° C, pressió atmosfèrica i pH 2 (solució de H2SO4 equilibrada respecte al CaSO4 • 2H2O) per estudiar les reaccions de dissolució de la calcita i aragonita acoblades a la precipitació de guix. Es van utilitzar tres tipus de mostra sòlida (pols (100-300 μm), grans (1-2 mm) i fragments (1.5 x 1.2 x 0.5 cm)) que van actuar com a substrats de mineral carbonat en què va créixer el guix. Al llarg dels experiments s'han distingit tres fases: temps d'inducció de la precipitació del guix, dissolució del substrat de mineral carbonat, juntament amb la precipitació de guix, i l'assoliment de l'equilibri de la solució respecte el mineral carbonat. El temps d'inducció va ser similar durant la dissolució de calcita i aragonita, ja que tots dos minerals dissolen amb la mateixa velocitat de dissolució. Durant la dissolució de minerals carbonats, el pH va pujar de 2 a aproximadament 7, alentint tant la velocitat de dissolució dels carbonats com la taxa de precipitació de guix per arribar a zero un cop assolit l'equilibri amb CaCO3 (calcita o aragonita) va ser aconseguit. La velocitat de precipitació del guix va ser similar independentment del substrat (calcita o aragonita), tot i la morfologia del mateix substrat. 3) Es van realitzar experiments in-situ amb el microscopi de força atòmica (AFM) per estudiar el procés global de la dissolució de calcita i dolomita i la precipitació de guix en solucions Na2SO4 i CaSO4 amb valors de pH entre 2 i 6 i temperatura ambient (23 ± 1 ° C). La dissolució dels minerals carbonats va tenir lloc a les superfícies de clivatge (104) usant solucions riques en sulfat i subsaturades respecte al guix. Es va observar la formació de forats de dissolució (etch pits) amb les típiques formes romboèdriques. També s’observa l'arrodoniment de les vores dels etch pits quan les solucions s’acostaven a a les vores l'equilibri respecte de la calcita. Les velocitats de dissolució de la calcita calculades a pH 4.8 i 5.6 va coincidir amb els valors de la literatura. En solucions prèviament equilibrades amb el guix, la precipitació de guix acoblada a la dissolució de calcita s’aconseguí amb temps d'inducció més curts. El guix precipitat va recobrir ràpidament la superfície de la calcita, amb morfologia de fletxa i eixos paral·lels a les orientacions cristal·logràfiques dels etch pits de la calcita. La precipitació de guix, juntament amb la dissolució de dolomita, va ser més lenta que la de calcita, la qual cosa indica que la velocitat de dissolució va ser el procés que controla la velocitat. El revestiment de guix ha cobert parcialment la superfície de la calcita durant l’experiment.

En aquest treball es descriu la determinació estructural mitjançant cristal·lografia de raigs X de la proteïna p4 del bacteriòfag phi29 en la seva forma lliure i en complex amb DNA.La proteïna p4 és essencial en el procés infectiu del bacteriòfag, ja que regula la transcripció dels seus gens, establint-se dues fases transcripcionals clarament diferenciades. Això permet separar en el temps la síntesi de proteïnes implicades en la replicació del DNA fàgic i la de les proteïnes estructurals que formen la partícula del bacteriòfag. Existeixen 3 llocs funcionals de unió de p4 en el genoma del bacteriòfag phi29, que es localitzen en una regió intergènica de 219 pb on es troben els 3 promotors més importants: el A2b, el A2c i el A3.En absència de la proteïna p4, els promotors A2b i A2c són transcripcionalment actius, mentre que el promotor A3, degut a l'absència de una caixa -35 en la seva seqüència és incapaç d'unir l'RNA polimerasa i es manté inactiu.En el moment en que la proteïna p4 és sintetitzada, aquesta s'uneix als seus llocs d'unió i produeix diferents efectes depenent del promotor que considerem. En el promotor A2b, el lloc d'unió de la proteïna p4 solapa amb la seva caixa -35 i impedeix la unió de l'RNA polimerasa inhibint-se la transcripció. En el promotor A2c, la proteïna p4 afavoreix la unió de l'RNA polimerasa però aquesta no pot realitzar la seva funció perque es produeix una sobreestabilització del complex i l'RNA polimerasa és incapaç d'alliberar-se del promotor. En el promotor A3, la proteïna p4 recluta l'RNA polimerasa permetent l'inici de la transcripció.La proteïna p4 va cristal·litzar en dos grups espacials, C2221 i P212121 en presència i absència d'un compost de platí, respectivament. L'obtenció de fases es va realitzar pel mètode MAD, recollint 3 conjunts de dades a diferent longitud d'ona de manera que les intensitats fossin diferents en les reflexions simètriques per l'efecte del platí com a dispersor anòmal. El model de la proteïna es va afinar fins a 3 Å en el grup espacial C2221 i aquest va servir per poder fer una cerca de reemplaçament molecular en el cristall P212121. En aquest grup espacial es va poder afinar el model fins a 2 Å.El complex format per la proteïna p4 i el DNA va cristal·litzar en el grup espacial P2, apareixent un complex per unitat asimètrica. El fasejat es va realitzar pel mètode del reemplaçament molecular utilitzant com a model de cerca un dímer de la proteïna p4 i un fragment ideal de DNA en conformació B.La proteïna p4 és una proteïna de 125 aminoàcids que s'uneix al DNA en forma de dímer. La unió de la proteïna al DNA provoca una corvatura de 70º. La unió es realitza de manera específica en la regió N-terminal de la proteïna i de manera inespecífica en la regió de dimerització. Els contactes realitzats amb l'esquelet de fosfat del DNA tenen com a objectiu fixar el solc menor de la molècula de DNA en una conformació comprimida. / This work describes the structural determination by X-ray crystallography of the phi29 bacteriophage protein p4, both bound and unbound to DNA.Protein p4 is essential for the bateriophage infective step, as it regulates its genes transcription, thus establishing two clearly differentiated transcriptional phases. This allows temporal separation of the phage protein synthesis: the proteins involved in phage DNA replication are synthesized first and the structural proteins that form the bacteriophage particle later. There are three p4 functional binding sites in phi29 genome, which are located in a 219bp long intergenic region where the three most important promoters (A2b, A2c and A3) are located.In p4 absence, A2b and A2c promoters are active, while A3 promoter, due to not having a -35 box in its sequence, is unable of binding RNA polymerase and remains inactive.When p4 protein is synthesized, it binds to its binding sites, thus producing different effects depending on the promoter. In A2b promoter, protein p4 binding site encloses the promoter -35 box, thus preventing RNA polymerase binding and transcription consequently. In A2c promoter, although protein p4 enhances RNA polymerase binding, the enzyme is unable to perform its function because the complex is overstabilized and so RNA polymerase cannot escape from the promoter. In A3 promotor, protein p4 recruits RNA polymerase, thus allowing transcription initiation.Protein p4 was crystallized in two different space groups, C2221 in presence of a platinum compost and P212121 in its absence. Phases were obtained by MAD, collecting 3 data sets at different wavelengths to have differences in the symmetric reflections intensities due to the effect as an anomal dispersor of the platinium. The protein model was refined up to 3 Å in the C2221 space group, and this model was used to perform a molecular replacement in the P212121 crystal. In this former space group, the model could be refined up to 2 Å .The complex formed by protein p4 and DNA was crystallized in P2 space group, with one complex per asymmetric unit. Molecular replacement was used for phase determination, taking a protein p4 dimer and an ideal DNA fragment in B conformation as a searching model.P4 is a 125 aminoacid long protein that binds DNA as a dimer. P4 binding to the DNA induces a 70º curvature on it. This binding is specific at the n-terminal region and unspecific at the dimerization area. The contacts with the phosphate backbone of the DNA fix the minor groove of the DNA molecule in a narrowed conformation.