Dans le cadre de l'homogénéisation, nous étudions des problèmes de transfert d'énergie posés dans un domaine solide perforé périodique où coexistent deux échelles d'espace (macroscopique et microscopique). Ces problèmes modélisent le transfert de chaleur par conduction dans le solide et par rayonnement au bord de chaque perforation. La présence du rayonnement implique des conditions aux limites non usuelles (vis à vis de la théorie de l'homogénéisation). Deux types de rayonnement sont considérés: rayonnement en milieu infini (condition non linéaire) et rayonnement en cavité à parois grises diffusantes (condition non linéaire et non locale). L'homogénéisation dans les deux cas conduit à un modèle de conduction posé dans un solide équivalent ayant! une conductivité effective qui prend en compte le rayonnement aux bords. Nous développons donc une méthodologie (homogénéisation et validation) basée sur une justification théorique du processus d'homogénéisation via la méthode de convergence à deux échelles et une validation numérique via des simulations au moyen du code de calcul CAST3M. Cette étude est menée dans le cadre de l'analyse de fonctionnement des réacteurs à caloporteur gaz. Les résultats sont également exploitables pour d'autres domaines perforés impliquant les phénomènes de transferts en question.

Les ATPases de type P1 sont des pompes utilisant l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour transporter les ions lourds (Cu+, Zn2+, Pb2+ Cd2+) à travers la membrane cellulaire. Elles sont difficiles à purifier et cristalliser et leur structure 3D est en général inconnue. Nous nous sommes intéressés à la structure et à la dymanique de la partie membranaire de l'ATPase cadmium CadA et aux domaines de liaison du métal de l'ATPase cuivre humaine de Menkés. Similarité de séquence et analyses d'hydropathie, complétées par des expériences ont montré que les ATPases de type P1 sont constituées de 8 segments transmembranaires (TMs) au lieu de 10 pour l'ATPase calcium de structure connue. En collaboration avec les biochimistes, et en utilisant les programmes MODELLER, CHARMM, XPLOR, AMD ainsi que nos propres programmes, nous avons prédit la structure des TMs de CadA. Nous avons construit plusieurs modéles du paquet de TMs correspondant à plusieurs topologies, calculé les coordonnées atomiques avec une procédure similaire à la détermination de structure à partir d'expériences de RMN et raffiné ces coordonnées en utilisant des simulations de DM en présence de solvant implicite. Le programme AMD de DM Adaptive a été utilisé pour vérifier les modèles de manière interactive. Une autre caractéristique intéressante des ATPases de type P1 est la présence en N-ter de un à six domaine(s) de liaison des métaux (MBDS). Dans le cas de l'ATPase de Menkés, il y a 6 MBDs, chacun pouvant lier un ion Cu$^+$. La structure de chaque MBD est connue. En utilisant des simulations de DM, nous avons étudié la dynamique de chaque MBD en presence ou absence de métal dans le but de comprendre comment le métal est transféré de la métallochaperone qui prend en charge le métal lors de son entrée dans la cellule au MBD. Ces études ont utilisé le travail récent des chercheurs de l'équipe dans le domaine de la paramétrisation des ions métalliques pour des champs de force de mécanique moléculaire. Le bon accord de nos résultats de DM sur les MBDs avec les connaissances expérimentales a montré que des modèles mécaniques sont capables de rendre compte et d'expliquer certaines propriétés de liaison et de transport des métaux dans les métalloprotéines et les ATpases, cibles pharmaceutiques bien connues.

Grâce aux récents progrès technologiques et à l'arrivée des séquenceurs de nouvelle génération, la quantité de données génomiques croît exponentiellement, alors que l'écart avec le nombre de structures résolues se creuse. Dans l'idéal, on aimerait pouvoir prédire par informatique la structure 3D de n'importe quelle protéine à partir de l'information de séquence seule, même en l'absence d'homologie. En effet, en dessous de 30% d'identité de séquence, les mesures de similarité de séquences ne sont plus suffisantes pour détecter l'homologie. Il faut donc mettre en place d'autres méthodes afin de venir à bout de cette zone d'ombre. Pour une structure donnée (et donc une fonction biologique), on ne dispose souvent que d'une petite quantité de séquences natives y correspondant, et parfois assez peu identiques. Il est alors difficile de construire un profil de recherche d'homologues pour retrouver ces séquences dont on ne connaîtrait pas la structure. Alors comment disposer de bases de données de séquences plus conséquentes pour chaque structure ? Ainsi, le design computationnel de protéine (CPD) tente de répondre à cette problématique : si l'on connaît un repliement, est-il possible de retrouver l'ensemble des séquences qui lui correspondent ? Le principe du CPD consiste à identifier parmi toutes les séquences compatibles avec le repliement d'intérêt, celles qui vont conférer à la protéine, la fonction désirée. La procédure générale est réalisée en deux étapes. La première consiste à calculer une matrice d'énergie contenant les énergies d'interactions entre toutes les paires de résidus de la protéine en autorisant successivement tous les types d'acides aminés dans toutes leurs conformations possibles. La seconde étape, ou "phase d'optimisation", consiste à explorer simultanément l'espace des séquences et des conformations afin de déterminer la combinaison optimale d'acides aminés étant donné le repliement de départ. Une première phase d'analyse de covariances de positions d'alignements de séquences théoriques a été menée. Nous avons ainsi pu mettre au point une méthode statistique pour repérer des ensembles de positions qui muteraient ensemble pour une structure donnée. La construction d'un profil avec toutes ces séquences théoriques moyennant trop l'information en acides aminés, nous avons pu améliorer la recherche d'homologues en construisant plusieurs profils à partir de groupes de séquences classées grâce à des motifs sur ces positions considérées comme covariantes. Pour mieux appréhender la qualité de ces prédictions de séquences théoriques, il fallait mettre en place un protocole de sélection des meilleurs protéines mutantes afin de les tester in vivo. Mais comment déterminer qu'une séquence théorique est meilleure qu'une autre? Sur quels critères se baser pour les caractériser? Aussi, un ensemble de descripteurs a été choisi, permettant de trier sur plusieurs critères les séquences théoriques pour n'en choisir qu'une vingtaine. Ensuite, ces protéines mutantes ont été soumises à des simulations de dynamique moléculaire afin d'évaluer leur stabilité théorique. Pour quelques protéines mutantes plus prometteuses, nous avons réalisé des expériences de sur-expression, de purification et de détermination structurale, tentant d'obtenir une validation biologique du modèle de CPD. Ces protocoles d'analyse et de validation semblent être de bons moyens permettront à notre équipe de tester d'autres protéines mutantes dans l'avenir. Ils pourront ainsi modifier des paramètres lors de la génération par CPD et s'appuyer sur des résultats expérimentaux pour les ajuster.

Les monocristaux Pb(Zn1/3Nb2/3)1-xTixO3 (PZN-xPT) présentent autour de x = 9% les meilleures propriétés piézoélectriques connues à ce jour. Ce travail est consacré à l'étude de ces propriétés, en relation avec la structure cristallographique et les différents états en domaines ferroélectriques de cristaux de composition x = 7, 9 et 12%.<br /><br />On décrit tout d'abord par des mesures de permittivité en température les états en domaines accessibles en fonction du champ électrique appliqué. Notamment, l'instabilité de l'état monodomaine quadratique 1T de PZN-12%PT dans les plaquettes d'épaisseur inférieure à 300 µm est mise en évidence et confirmée par diffraction des rayons X.<br /><br />La deuxième partie traite de l'ingénierie des domaines dans PZN-12%PT polarisé suivant [101]. En s'appuyant en particulier sur une détermination complète des propriétés électromécaniques intrinsèques du cristal ainsi que sur des observations optiques du polydomaine, on présente un modèle analytique de calcul de ses propriétés effectives. Ce modèle explique convenablement les baisses extrinsèques importantes des constantes diélectriques transverses observées par un effet d'encastrement.<br /><br />Dans une troisième partie, il est montré que les effets du dopage au manganèse sur les propriétés des cristaux sont qualitativement les mêmes que dans les piézoélectriques classiques (durcissement, hausse du facteur de qualité mécanique, baisses de la constante diélectrique et du coefficient piézoélectrique) et correspondent à une modification de leurs propriétés intrinsèques. De plus, on montre que l'ajout de manganèse déstabilise l'état monodomaine 1O dans PZN-7%PT et stabilise à l'inverse l'état 1R dans PZN-9%PT.

Ce travail concerne la convection naturelle au sein d'un système fluide-poreux en couche horizontale. On présente l'analyse de stabilité linéaire des modèles à un et deux domaines, avec diffusion visqueuse dans le milieu poreux. Nos résultats sont comparés avec ceux du modèle à deux domaines utilisant la formulation de Darcy. Un bon accord est observé entre les résultats des modèles à deux domaines, ce qui indique que le terme de Brinkman joue un rôle secondaire dans la stabilité. On montre que le modèle à un domaine peut conduire à des résultats sensiblement différents lorsque la transition entre fluide et le milieu poreux est décrite par une discontinuité des propriétés. Il faut alors modifier la formulation en effectuant la différentiation au sens des distributions. Ainsi, le modèle à un domaine conduit aux mêmes seuils de stabilité que les formulations à deux domaines. L'influence des paramètres caractéristiques sur la stabilité des systèmes thermique et thermosolutal est discutée.

A partir de l'établissement d'une approximation in stationnaires en 3D des potentiels retardés pour des courants électromagnétiques sur des polyèdres non-nécessairement convexes, une méthode de résolution pour la simulation de la diffraction par un ensemble non-connexe d'objets est formulée. Une partition de ce dernier est effectuée suivant les inhomogénéités présentes. Le problème est alors traduit en un système d'équations de Maxwell couplées, chacune étant homogène hors d'un élément correspondant de la partition, qui induit la construction d'une solution du problème initial. Par approximation des termes de couplage, il s'en suit une méthode naturellement hybride et parallèle sur un système stable et bien-posé. La restriction de chaque sous-système à un voisinage du support de ses inhomogénéités est obtenue par introduction de conditions aux limites absorbantes de type "PML" dont un formalisme généralisé est étudié. Des exemples numériques illustrent l'ensemble de ces développements.

Lors de la conception des structures du génie civil et du génie mécanique il est très important de pouvoir prévoir comportement près de leur état ultime. Or, les matériaux utilisés sont souvent fortement hétérogènes, comme par exemple le béton et les métaux composites, et sont en conséquence difficiles à modéliser en cas de sollicitations extrêmes. Dans ce travail nous proposons une nouvelle stratégie multi échelles adaptée pour ce type des problèmes. Selon l'approche on couple un modèle basé sur la méthode des éléments finis (MEF) à l'échelle de la structure (macro) avec un modèle très fin à l'échelle de la microstructure (micro), lui aussi basé sur la MEF. Cela nous permet de modéliser l'échelle micro beaucoup plus fidèlement que ce qui est possible avec les approches phénoménologiques ou avec des méthodes d'homogénéisation analytique. L'inconvénient principal d'une telle approche étant en général le coût de calcul très élévé, nous considérons trois aspects rendant possible une application aux situations réelles. Premièrement, la formulation variationnelle permet de n'utiliser le modèle fin que dans les parties restreintes de la structure, là où les échelles sont vraiment fortement couplées, tout en gardant un modèle homogénéisé ailleurs. Deuxièment, nous adaptons la MEF sur l'échelle micro en employant l'approche dite structurée, avec laquelle on peut réduire le nombre de degrés de liberté d'une manière importante en gardant la même précision. Le troisième aspect porte sur l'implantation de la méthode dans un code de calcul, adaptée pour des machines parallèles, ce qui nous a permis de lancer les analyses d'une taille comparable à celle des situations réelles. Enfin, nous montrons de quelle manière cette approche peut être utilisée dans l'optimisation de forme des inclusions d'un matériau composite.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la dynamique du retournement de l'aimantation de multicouches magnétiques par des effets magnéto-optiques : l'effet Kerr et le dichroïsme magnétique circulaire des rayons X (XMCD). Une partie de ce travail a porté sur l'étude de multicouches (Pt/Co) à anisotropie perpendiculaire couplées par échange à un antiferromagnétique. Des mesures de microscopie Kerr résolues en temps ont permis de montrer que les processus de retournement de l'aimantation dépendent fortement de la force du couplage d'échange. La présence de frustrations magnétiques à l'interface induit une augmentation de la densité de domaines inverses. De plus la densité de nucléation est plus importante lorsque le champ appliqué s'oppose au champ d'échange, cet effet est attribué à l'inhomogénéité du couplage. La seconde partie de ce travail consiste en l'étude du renversement de l'aimantation de jonctions tunnel magnétiques Co/Al2O3/FeNi déposées sur des substrat à accumulation de marches. L'évolution temporelle de la structure en domaines magnétiques est étudiée avec une technique originale, la microscopie à électrons photo-émis couplée au XMCD. Dans ces systèmes, nous avons démontré que la topographie de la tricouche joue un rôle important sur le renversement de l'aimantation. Grâce à la sélectivité chimique du XMCD, l'effet du champ de fuite des parois de domaine dans la couche de cobalt sur l'aimantation de la couche de permalloy a aussi été étudié. Nous avons montré que ce champ de fuite est suffisant pour générer des quasi-parois dans la couche de permalloy, ce qui permet un retournement de l'aimantation localement plus rapide.

Les membranes modèles représentent un outil indispensable pour l'étude des membranes biologiques, elles ont en effet grandement contribué à leur description. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l'étude de la coexistence de phases liquide-ordonnée (lo) et liquide-désordonnée (ld) au sein de membranes modèles de type LUV (« Large Unilamellar Vesicle »). Nous avons cherché en premier lieu à mettre au point une méthodologie permettant de détecter la formation de la phase lo et d'estimer quantitativement la fraction membranaire Φo en phase lo dans des LUVs de composition ternaire PC/SM/Chol (phosphatidylcholine / sphingomyéline / cholestérol), capable d'induire une coexistence de phase. Pour cela, les propriétés d'auto-extinction de fluorescence et de distribution sélective en fonction de la phase lipidique d'une sonde fluorescente unique (C12NBD-PC) ont été mises à profit. La deuxième partie de notre travail a été consacrée à l'étude de la solubilisation par le détergent Triton X-100 des membranes de LUVs présentant une coexistence de phase lo/ld. Nous avons cherché à démontrer qu'il était possible d'extraire la fraction membranaire se trouvant strictement en phase lo. Pour cela, les transitions de structure induites par l'interaction du Triton X-100 avec des LUVs à 4°C ont été étudiées par une procédure de séparation par gradient de densité. Nous avons tenté d'évaluer le rapport effectif approprié détergent/lipides nous permettant d'isoler les fractions résistantes correspondant aux domaines en phase lo existant au niveau de la membrane des LUVs avant l'addition de détergent.

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude à la fois théorique et expérimentale de la dynamique de l'aimantation assistée par un champ électrique dans un dispositif à base de (Ga,Mn)As. Une couche de (Ga,Mn)As, dont l'anisotropie magnétique est complexe, est un matériau de choix pour la manipulation de l'aimantation par un champ électrique.J'ai présenté une stratégie de retournement précessionnel de l'aimantation qui tire partie de la réduction transitoire de l'anisotropie cubique provoquée par une courte impulsion de champ électrique. A l'aide d'un modèle macrospin, j'ai démontré notamment qu'une impulsion de champ électrique de quelques ns de durée est suffisante pour basculer l'aimantation entre deux positions d'équilibres.L'aspect expérimental est basé sur l'utilisation d'une jonction p-n tout semi-conducteur dont la région dopée p est formée par une couche mince de (Ga,Mn)As. La déplétion des porteurs de charge dans le canal semi-conducteur provoquée par l'application d'un train d'impulsions de tension de courte durée induit une forte diminution du champ d'anisotropie cubique. L'étude expérimentale du renversement de l'aimantation en champ magnétique a conduit à la mise en évidence d'un retournement de l'aimantation via la nucléation et la propagation de parois et d'une distribution large des champs de piégeage. L'inhomogénéité magnétique au sein de la couche de (Ga,Mn)As a empêché l'observation d'une résonance ferromagnétique induite par un champ électrique. Néanmoins, des mesures de retournement avec une ou plusieurs impulsions de tension de grille ont permis de proposer un processus de renversement de l'aimantation induit par un champ électrique.