A demanda criada pelos estudos biológicos resultou para predição da estrutura terciária de proteínas ser uma alternativa, uma vez que menos de 1% das sequências conhecidas possuem sua estrutura terciária determinada experimentalmente. As predições Ab initio foca nas funções baseadas da física, a qual se trata apenas das informações providas pela sequência primária. Por consequência, um espaço de busca com muitos mínimos locais ótimos deve ser pesquisado. Este cenário complexo evidencia uma carência de algoritmos eficientes para este espaço, tornando-se assim o principal obstáculo para este tipo de predição. A optimização Multi-Objetiva, principalmente os Algoritmos Evolutivos, vem sendo aplicados na predição da estrutura terciária já que na mesma se envolve um compromisso entre os objetivos. Este trabalho apresenta o framework ProtPred-PEO-GROMACS, ou simplesmente 3PG, que não somente faz predições com a mesma acurácia encontrada na literatura, mas também, permite investigar a predição por meio da manipulação de combinações de objetivos, tanto no aspecto energético quanto no estrutural. Além disso, o 3PG facilita a implementação de novas opções, métodos de análises e também novos algoritmos evolutivos. A fim de salientar a capacidade do 3PG, foi então discorrida uma comparação entre os algoritmos NSGA-II e SPEA2 aplicados na predição Ab initio da estrutura terciária de proteínas em seis combinações de objetivos. Ademais, o uso da técnica de refinamento por Dinâmica Molecular é avaliado. Os resultados foram adequados quando comparado com outras técnicas de predições: Algoritmos Evolutivo Multi-Objetivo, Replica Exchange Molecular Dynamics, PEP-FOLD e Folding@Home. / The demand created by biological studies resulted the structure prediction as an alternative, since less than 1% of the known protein primary sequences have their 3D structure experimentally determined. Ab initio predictions focus on physics-based functions, which regard only information about the primary sequence. As a consequence, a search space with several local optima must be sampled, leading to insucient sampling of this space, which is the main hindrance towards better predictions. Multi-Objective Optimization approaches, particularly the Evolutionary Algorithms, have been applied in protein structure prediction as it involves a compromise among conicting objectives. In this paper we present the ProtPred-PEO-GROMACS framework, or 3PG, which can not only make protein structure predictions with the same accuracy standards as those found in the literature, but also allows the study of protein structures by handling several energetic and structural objective combinations. Moreover, the 3PG framework facilitates the fast implementation of new objective options, method analysis and even new evolutionary algorithms. In this study, we perform a comparison between the NSGA-II and SPEA2 algorithms applied on six dierent combinations of objectives to the protein structure. Besides, the use of Molecular Dynamics simulations as a renement technique is assessed. The results were suitable when comparated with other prediction methodologies, such as: Multi-Objective Evolutionary Algorithms, Replica Exchange Molecular Dynamics, PEP-FOLD and Folding@Home.

In this work we exploit the unique characteristics of a Dirac semimetal material to be symmetry-protected, to investigate dierent topological phase transitions provided by chemical dopings, focusing in particular on the electronic, magnetic and topological properties of the doped systems, studied by the mean of rst-principles methods based on density functional theory (DFT) approach. In particular these doped systems, besides being of interest for investigating the role of topology in solid state physics, could have a great potential for practical application since the dierent topological phases that come along with the chemical dopings allow one to exploit the unique properties of topological materials. The starting point for our study will be the material called cadmium-arsenide (Cd3As2), an example of a topological Dirac semimetal, which is chemically stable at ambient conditions. Chapter I presents a general introduction to topology, especially in condensed matter physics, and to the main physical properties of the topological materials we mentioned. Then, in chapter II, we briey present the methods and the computational tools that we used for our study. In chapter III a more detailed introduction to our work is given, along with a schemetic view of the path we followed, together with the results that we obtained for pristine Cd3As2, which we use as bench mark for our computational methods. Finally, in chapter IV and V, the results for the doped systems are presented and discussed, respectevely for the non-magnetic (IV) and magnetic (V) dopings. Our study has enabled us to discern how doping can give rise to see dierent topological phase transitions. Specically our work shows that dierent realizations of non-magnetic doping gives rise to dierent topological phases: the topological Weyl semimetal phase, which is of great interest since it can support a robust quantum spin Hall eect, and a very special mixed Dirac + Weyl phase, where surprisingly both a Dirac and a Weyl phase can coexist in the same system. Furthermore, magnetically doped systems show the emergence of a magnetic Weyl phase, which can support a quantum anomalous Hall eect. Our work can be the starting point for future studies, both theoretical and experimental, in which the unique physical properties we found in the doped Cd3As2 systems can be further investigated, in order to exploit them for practical applications.

O dioxido de estanho na estrutura rutila (SnO2) é um semicondutor de gap largo e faz parte da classe dos óxidos condutores transparentes (TCO). Possui gap direto de 3,6 eV e condutividade do tipo n, mesmo quando não dopado intencionalmente. Estudos teóricos e experimentais atribuem este comportamento à presença de defeitos intrínsecos. Por outro lado, impurezas de hidrogênio, em sítios intersticiais ou substituindo o átomo de oxigênio, poderiam ser responsáveis pelo caráter n do SnO2. Neste trabalho apresentamos nossos resultados de estrutura eletrônica, a partir de cálculos de primeiros princípios, para o dióxido de estanho puro, assim como levando em conta a presença de defeitos intrínsecos - VO, VSn, Sni, Oi, OSn, SnO, SnO+OSn, Sni+VO - e para vários centros de impureza de hidrogênio - Hi, HO, HBC, Hi-Hi, Hi-HO, Hi-HBC, HBC-HBC, onde V significa vacância e BC a impureza localizada em um sítio entre ligação. Os resultados para a impureza de hidrogênio são confrontados com os dos defeitos intrínsicos. Nossas análises mostram, tanto para o caso das impurezas de H isoladas quanto para os pares complexos H-H, que estes centros apresentam caráter doador. Em todas as configurações, as energias de formação são suficientemente baixas, comparadas com as dos defeitos intrínsecos, mostrando competitividade e sugerindo que a impureza de hidrogênio poderia ser responsável pela característica de condutividade n do cristal SnO2. Apresentamos também resultados de propriedades eletrônicas e magnéticas para impurezas de metal de transição MT (MT = V, Cr, Fe, Mn, Co e Ni) em SnO2 em uma configuração estrutural de baixa concentração. Estes sistemas são denominados semicondutores magnéticos diluídos (DMS - diluted magnetic semiconductor), isto é, ligas diluídas do tipo Sn1-xMTxO2 e Sn1-xMTxO2-y(VO)y. Consideramos neste estudo as concentrações x = 0,04 e y = 0,02, correspondendo a valores experimentalmente possíveis de se obter. Este estudo aponta para a existência de estados magnéticos metaestáveis para estes sistemas e mostra como a vacância de oxigênio afeta este comportamento. Para todos os casos, o estado eletrônico fundamental encontrado apresenta configuraçãoo de alto spin (HS - high-spin) e o fenômeno de spin-crossover para o estado de baixo spin (LS - low-spin) é possível de ocorrer. A metaestabilidade obtida para estes sistemas DMS é estudada em conecção com as relaxações estruturais em torno da impureza, na ausência e na presença da vacância de oxigênio. Por fim, alternando respectivamente camadas magnéticas e não magnéticas de r-CrO2 e r-SnO2, foram estudados sistemas em uma configuração de super-rede (SL - superlattice), do tipo (CrO2)n(SnO2)n, com n = 1; 2; ...; 10 sendo o número de monocamadas. Para todos os valores de n foi observado comportamento meio-metal (half-metal) para os sistemas. O estado fundamental é ferromagnético (FM), com momento mangético igual a 2 mu_B por cromo ndependentemente do número de monocamadas. E como o óxido r-CrO2 é instável na temperatura ambiente, porém pode ser estabilizado, quando crescido sobre o r-SnO2, sugerimos que as super-redes (CrO2)n(SnO2)n podem ser aplicadas na tecnologia de spintrônica provendo eficiente polarização de spin de seus portadores. Os cálculos de estutura eletrônica foram realizados levando em conta a polarização de spin, usando o método PAW (Projector-Augmented-Wave) implementado no pacote computacional VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package), dentro da teoria DFT (density functional theory) utilizando a aproximação local da densidade com correção GGA-PBE (generalized gradient corrections) e aproximação GGA-PBE+U, onde U é a correção on site de Hubbard. / Rutile tin dioxide (r-SnO2) is a wide-band-gap semiconductor and is part of a class of promising transparent conducting oxides (TCO). It has a direct band gap of 3.6 eV and shows n-type conductivity, even when not intentionally doped, which is usually attributed to intrinsic defects. On the other hand, it has been proposed theoretically that in spite of unintentionally doping, hydrogen impurities at interstitial or O substitutional sites could be responsible for the n-type conductivity in SnO2. In this work we report the results of ab initio electronic structure calculatations for pure tin dioxide as well as for some intrinsic defects VO, VSn, Sni, Oi, OSn, SnO, SnO+OSn and Sni+VO and for several H-related defect centers Hi, HO, HBC, Hi-Hi, Hi-HO, Hi-HBC, HBC-HBC, where V means vacancy and BC bond-centered sites. Our H-related results centers are confronted with those obtained for the intrinsic defects. Our findings show, for example, that hydrogen impurity has a donor character for all studied centers and that not only the isolated H, but also some of its complexes, show competitive low formation energies, suggesting that various H-related centers could be responsible for the n-type conductivity observed in the unintentionally doped SnO2. We discuss some results of the electronic and magnetic properties of TM-doped tin dioxide (TM = V, Cr, Fe, Mn, Co and Ni) in a diluted magnetic oxide configurations, i.e., Sn1-xTMxO2 and Sn1-xTMxO2-y(VO)y diluted alloys. As a prototype we will consider x = 0.04 and y = 0.02, which corresponds to a TM content just within the experimental window. Our aim is to analyze the presence of magnetic metastable states in these systems and how oxygen vacancies affect this metastability. For all cases, the ground state corresponds to the expected high spin (HS) configuration and a spin-crossover to the low-spin state is possible. The obtained magnetic metasbility in TM-doped SnO2 is discussed in connection with the structural relaxations around the impurity in absence and in presence of O vacancies. Finally, alternated magnetic and non-magnetic layers of rutile-CrO2 and rutile-SnO2 respectively, in a (CrO2)n(SnO2)n superlattice (SL) configuration, with n being the number of monolayers which are considered equal to 1, 2, ..., 10 are studied. A half-metallic behavior is observed for the (CrO2)n(SnO2)n SLs for all values of n. The ground state is found to be ferromagnetic (FM) with a magnetic moment of 2 µB per chromium atom, and this result does not depend on the number of monolayers n. As the FM rutile-CrO2 is unstable at ambient temperature, and known to be stabilized when on top of SnO2, we suggest that (CrO2)n(SnO2)n SLs may be applied to spintronic technologies since they provide efficient spin-polarized carriers. Spin-polarized electronic structure calculations were performed using the Projector-Augmented-Wave (PAW) method as implemented in the Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP), within the spin density functional theory in the local density approximation with generalized gradient corrections (GGA-PBE) and GGA- PBE+U, where U is the Hubbard correction.

A number of novel hydrocarbon cage systems have been designed and characterized using ab initio molecular orbital calculations at the MP2 and B3-LYP levels. In particular,equilibrium structures for five families of molecules, hemialkaplanes, hemispiroalkaplanes, alkaplanes, spiroalkaplanes and dimethanospiroalkaplanes, have been examined in detail with the aim of designing a saturated hydrocarbon with a planar-tetracoordinate carbon atom and with a view to identifying appropriate synthetic targets. ¶ The hemialkaplanes and hemispiroalkaplanes are constructed from a spiropentane or neopentane subunit, respectively, which is capped by a cyclic hydrocarbon. The hemispiroalkaplanes are predicted to contain a pyramidal-tetracoordinate carbon atom possessing a lone pair of electrons. Protonation at this apical carbon atom is found to be highly favorable, resulting in a remarkably high basicity for a saturated hydrocarbon. The proton affinities of the hemispiroalkaplanes are calculated to be more than 1170 kJ mol[superscript -1] , even greater than those for the diamine "proton sponges". ¶ The alkaplanes and the spiroalkaplanes, which are constructed by bicapping a neopentane or spiropentane subunit, respectively, with a pair of cyclic hydrocarbons, show unprecedented flattening of a tetracoordinate carbon atom. Linking the spiroalkaplane caps with methano bridges gives the dimethanospiroalkaplanes, two of which, dimethanospirooctaplane and dimethanospirobinonaplane, achieve exact planarity at the central carbon atom. They are the first neutral saturated hydrocarbons predicted to contain an exactly planartetracoordinate carbon atom. This has been achieved through structural constraints alone. The electronic structure at the central carbon atom results in a highest occupied molecular orbital corresponding to a p-type lone pair. Consequently, the adiabatic ionization energies for octaplane, spirooctaplane and dimethanospirooctaplane (approximately 5 eV) are predicted to be similar to those of lithium and sodium - incredibly low for a saturated hydrocarbon. ¶ Some consideration has been given to likely pathways for unimolecular decomposition for all species. Predicted structures, heats of formation and strain energies for all the novel hydrocarbons are also detailed. Tetramethylhemispirooctaplane and dimethanospirobinonaplane are identified as the preferred synthetic targets.

Cette thèse a pour but d'étudier l'environnement électronique et structural du chrome en substitution de l'aluminium dans des cristaux isolants cubiques, et de discuter son influence sur la variation du champ cristallin. Nous avons combiné des spectroscopies sélectives du chrome (EXAFS et XANES au seuil K), une approche ab initio (calculs de minimisation d'énergie et de spectres XANES) et une approche multiélectronique (simulation du dichroïsme linéaire naturel des rayons X). Des développements théoriques ont été effectués puis appliqués au cas de la section efficace d'absorption X, afin d'extraire les propriétés spectroscopiques d'un site individuel à partir de celles du cristal cubique.<br /><br />L'environnement structural relaxé autour du Cr a été déterminé pour le spinelle MgAl2O4:Cr3+ (rouge) et pour les grenats pyrope Mg3Al2Si3O12:Cr3+ (rouge) et grossulaire Ca3Al2Si3O12:Cr3+ (vert). La sphère de coordination du Cr est voisine de celle observée dans le pôle pur chromifère correspondant (MgCr2O4, Mg3Cr2Si3O12 et Ca3Cr2Si3O12, respectivement), du point de vue des distances interatomiques et de la symétrie locale. La variation de la distance moyenne Cr-O joue un rôle important dans celle du champ cristallin, mais ne permet pas d'expliquer à elle seule l'évolution du celui-ci au sein des solutions solides, entre les cristaux dilués et entre les cristaux concentrés. Nous montrons que la nature de la liaison Cr-O est un facteur important et que l'environnement à moyenne distance autour du chrome exerce une influence sur ses propriétés spectroscopiques. En particulier, les deuxièmes voisins ont un effet privilégié sur la distance Cr-O et la nature de cette liaison.

La tendance permanente à la réduction des dimensions des composants de la microélectronique mène à la fabrication de couches d'oxydes de plus en plus fines. Afin de poursuivre cette miniaturisation, le recours à la caractérisation de ces couches, impliquant la connaissance parfaite de l'interface Si/SiO2, devient incontournable. Des simulations précises et prédictives des procédés aux échelles atomiques et microscopiques peuvent aider à cette caractérisation. Notre étude consiste en la détermination des premiers stades de l'oxydation thermique d'un substrat de silicium grâce à la mise en oeuvre d'une approche multi échelles. L'utilisation des calculs ab initio permet l'identification des propriétés locales des mécanismes élémentaires de l'oxydation à l'échelle atomique en termes de structures atomiques et électroniques, d'énergies d'activation de diffusions& La croissance d'oxyde selon les procédés de fabrication peut être reproduite par le développement d'un simulateur Monte Carlo cinétique à partir des mécanismes réactionnels identifiés. Le recours au Monte Carlo cinétique est nécessaire pour atteindre des échelles de temps et d'espace suffisantes pour simuler les procédés de fabrication. Nous avons réalisé des calculs ab initio à l'échelle atomique et développé un code Monte Carlo cinétique nommé Oxcad afin d'appréhender, de caractériser et de simuler les premières étapes de l'oxydation thermique d'une surface de silicium.

Cette thèse consiste en l'étude de la réactivité en phase gazeuse d'acides aminés, de bases nucléiques et de nucléosides modifiés et non modifiés vis à vis du cation sodium. Les affinités cationiques ont été déterminées expérimentalement par couplage ESI/ITMS et théoriquement, par calculs ab initio d'énergie. La méthode expérimentale permet de déterminer les valeurs des affinités cationiques des biomolécules en étudiant la décomposition des dimères cationisés formés en phase gazeuse selon la méthode de Cooks. Les calculs ab initio permettent de déterminer les affinités cationiques et les structures des complexes formés en phase gazeuse. Après avoir montré que l'utilisation de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) avec la fonctionnelle B3P86 était bien adaptée à notre problématique, l'excellente corrélation obtenue entre les résultats expérimentaux et théoriques a permis de déterminer les sites privilégiés de cationisation et donc les structures cationisées des acides aminés, des bases nucléiques et des nucléosides modifiés et non modifiés en phase gazeuse.

Ce travail se place dans le cadre des réacteurs nucléaires de 4ème génération tels que les réacteurs à neutrons rapides et caloporteur gaz (RNR-G), pour lesquels des matériaux réfractaires comme le nitrure de titane (TiN) enroberont le combustible afin de permettre la rétention des produits de fission. Cette étude a porté sur le comportement thermique intragranulaire du xénon dans des échantillons de TiN obtenus par frittage à chaud sous charge. Le rôle de la microstructure sur le comportement thermique du xénon a été étudié. Plusieurs lots ont ainsi été synthétisés sous différentes conditions de température et de composition de la poudre initiale. Le xénon a été introduit par implantation ionique. Les échantillons ont ensuite subi des traitements thermiques entre 1300°C et 1600°C, soient les températures accidentelles envisagées. Un transport majoritaire du xénon vers la surface a été mis en évidence. Ce dernier est ralenti lorsque la température de frittage augmente. Des différences de comportement ont été observées selon les poudres mises en oeuvre dans la synthèse et selon l'orientation cristalline du grain considéré. Le relâchement du xénon a également été corrélé à l'oxydation de TiN. Des bulles de Xe dès 0,38 % atomique ont été observées. Leur taille est proportionnelle à la concentration en Xe et augmente avec la température de recuit, d'où une certaine mobilité du Xe au sein de TiN. Plusieurs mécanismes pouvant expliquer cette mobilité sont proposés. En complément, des calculs ab initio ont confirmé le caractère fortement insoluble du Xe dans TiN et révélé que les bilacunes sont les plus favorables à l'incorporation du xénon au sein de ce matériau.

Le but de cette étude est d'offrir une analyse critique des méthodes de calcul prédictif des grandeurs thermochimiques via deux approches, une empirique basée sur les contributions de groupes et une deuxième basée sur le calcul quantique ab initio. Notre travail a consisté à mettre en parallèle les deux approches dans le cas particulier du calcul prédictif des enthalpies de formation de composés organiques du soufre à l'état liquide. Dans un premier temps, une extension de la méthode de Benson pour un ensemble de 400 molécules soufrées CxHyOzSt à l'état liquide a permis de déterminer 53 nouvelles contributions de groupes et 11 corrections de structure pour la prédiction des enthalpies standard de formation dans l'état liquide. Ces résultats ont été validés sur un ensemble de 18 molécules et une comparaison avec une méthode concurrente de nature comparable a été réalisée. D'autre part, le calcul des composantes électronique et thermique des énergies moléculaires a été réalisé par une méthode quantique ab initio basée sur la théorie DFT. Les enthalpies standard de formation dans l'état gaz ont été estimées grâce à l'optimisation de paramètres de conversion sur les données expérimentales de 195 molécules CxHySt de référence. Trois approches ont été explorée : une première basée sur des paramètres atomiques, une deuxième fondée sur des paramètres de groupes d'ordre 1 et une dernière, reposant sur des paramètres de groupes d'ordre 2. Enfin, une corrélation de l'enthalpie de vaporisation avec la variance du potentiel électrique de surface moléculaire a été utilisée pour parvenir aux estimations des enthalpies standard de formation dans l'état liquide. La comparaison des résultats fournis par les deux méthodes a permis de discuter de l'applicabilité des différentes approches dans le cadre de modèles prédictifs destinés au génie des procédés. Ce travail comportait également un volet expérimental consistant à adapter un calorimètre de combustion sous oxygène en bombe rotative pour la mesure des énergies de combustion de composés soufrés.

Les systèmes bistables connaissent un intérêt croissant motivé, entre autres, par la perspective d'applications en électronique moléculaire. Parmi ces systèmes certains possèdent la capacité d'exister sous deux états électroniques dans les mêmes conditions, i.e. présentant une hystérèse. Deux propriétés sont couramment associées à l'hystérèse, le magnétisme et l'activité rédox. Si ces phénomènes sont connus de longues dates, des zones d'ombre demeurent dans leur mécanisme. Par l'application de calculs ab initio basés sur la fonction d'onde, l'objet de ce travail est de dégager les phénomènes physiques sous-jacents à l'ouverture de boucle d'hystérésis dans les composés à transition de spin (bistabilité magnétique) et dans des complexes de porphyrine (bistabilité rédox). Les ingrédients microscopiques ainsi récoltés sont utilisés pour remonter au comportement macroscopique des matériaux par le biais de modèles thermodynamiques ou de hamiltoniens modèles.