Nous avons étudié durant cette thèse les transferts de chaleur mettant en jeu différents types de porteur d'énergie - phonons, électrons et photons - dans des matériaux nanostructurés. A ces échelles, les lois régissant les phénomènes physiques sont différentes des lois macroscopiques. Il est donc nécessaire de développer de nouveaux outils pour étudier ces nouveaux mécanismes. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés ondulatoires des phonons thermiques. Nous avons ainsi développé une théorie pour quantifier leur cohérence temporelle et spatiale. Dans une seconde partie, nous nous sommes tournés vers la thermo-plasmonique, c'est-à-dire vers le chauffage par absorption de lumière d'un métal et la redistribution de l'énergie au réseau cristallin par interactions électron/phonon. Dans une dernière partie, nous avons porté notre étude sur la possibilité d'incluer les effets quantiques dans la Dynamique Moléculaire, ouvrant ainsi l'accès aux propriétés thermiques de nanomatériaux aux basses températures. / Energy transport at the nanoscale involves different types of carriers - phonon, electron and photon. Their spatial confinement in nanostructured materials implies the invalidation of the macroscopic laws of heat transfer. Therefore, new mechanisms arise and lead to novel thermal properties. This manuscript is devoted to the study of phonon transport in nanomaterials as well as the dissipation processes involving photon/electron and electron/phonon interactions. It is divided in three independent parts. We have first investigated the wave properties of thermal phonons. We have developed a theory to quantitatively assess the coherence of these carriers. Then, we have adressed the coupling between plasmonics and phonon transport in metallic materials. The objective is to quantify how the heat generated by the absorption of an electromagnetic energy will impact the surrounding medium. In the last part, we have included the Bose-Einstein quantum statistics in Molecular Dynamics simulations in order to compute thermal properties of nanomaterials at low temperatures.

Ce travail qui a été effectué au sein du groupe radiochimie de l'IPN Orsay, participe à l'enrichissement des connaissances destinées à la compréhension du comportement des radionucléides à travers l'environnement. Le comportement et l'évolution des radionucléides sont des phénomènes souvent complexes à caractériser expérimentalement qui dépendent des interactions aux interfaces eau / surface minérale, lesquelles peuvent être modélisées grâce à des méthodes théoriques. Lors de cette étude, nous avons choisi d'utiliser des méthodes de dynamique moléculaire (DM), lesquelles permettent de considérer explicitement les effets du solvant, de la température et d'étudier la dynamique de l'ion uranyle. Dans un premier temps, des méthodes de dynamique moléculaire Car-Parrinello basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont permis de caractériser finement les structures d'équilibres de l'ion uranyle en solution et à l'interface eau/ face (001) de gibbsite. Dans le cas d'un pH faible, les complexes d'adsorption présents à l’interface eau/ face (001) de gibbsite ont été identifiés et comparées aux données expérimentales disponibles. Leurs énergies relatives et les énergies d'activations impliquées dans le processus de sorption ont également été déterminées. Dans un deuxième temps, des méthodes de dynamique moléculaire classique ont été employées afin de modéliser des systèmes de plus grande taille, donc plus réalistes, sur des échelles de temps plus longues. La comparaison des résultats DM Car-Parrinello / DM classique a montré qu’une dynamique classique utilisée avec les potentiels non polarisables de Guilbaud, CLAYFF et SPC/E, permet de modéliser le comportement de l’ion uranyle à l’interface eau/ face (001) de gibbsite. Les longs temps de simulation permettent de mettre en avant le caractère diffusif de l’ion uranyle à l’interface eau/ face (001) de la gibbsite. Enfin, L’effet d’une élévation de la température a été étudié. La rétention de l’ion uranyle diminue avec la température. / This work was performed in the radiochemistry group of the IPN Orsay, it participates in the advancement of knowledge for understanding the behavior of radionuclides through the environment. The behavior and the evolution of the radionuclides, which are often complex phenomena to characterize experimentally, depend on interactions at the interfaces water / mineral surface and can be modeled using theoretical methods. In this study, we chose to use dynamics molecular methods (DM), which can explicitly consider the effects of solvent, temperature and allow to study the dynamics of the uranyl ion. At first, methods of Car-Parrinello dynamics molecular, based on the density functional theory (DFT), were used to characterize the structures of the uranyl ion in solution and at the interface water / (001) face of gibbsite. For low pH condition, the adsorption complexes present at the interface water / (001) face of gibbsite were identified and compared with available experimental data. Their relative energies and activation energies involved in the sorption process were also determined. Secondly, the classical molecular dynamics methods were used to model larger systems, thus more realistic, on longer time scales. Comparing the results DM Car-Parrinello / classical DM showed a classical dynamics, which use the non-polarizable Guilbaud, CLAYFF and SPC/E potentials, can model the behavior of the uranyl ion at the interface water / face (001) of gibbsite. The long simulation times, allow to show particularly the diffusive character of the uranyl ion to the interface water / face (001) of gibbsite. Finally, the effect of temperature rise was studied. Retention of the uranyl ion decreases with temperature.

La dynamique moléculaire gros-grain nous permet d'étudier l'interface polymère / silice. En particulier, nous comparons les comportements divergents du poly(acrylamide) (PAAm) et du poly(N,Ndimethylacrylamide) (PDMA) sur la surface de silice. Tout d'abord, nous montrons que les comportements macroscopiques du PAAm et du PDMA sont correctement représentés par un modèle contenant un solvant explicite. Nous utilisons ensuite la méthode d'énergie libre umbrella sampling afin d'examiner le détachement du PAAm et du PDMA de la surface de silice et d'étudier les caractéristiques importantes qui permettent ou non à la chaîne de polymère de rester adsorbée sur la surface de silice. Nous soulignons l'importance des interactions intra moléculaires au sein du polymère ainsi que les interactions polymère/surface qui déterminent l'adsorption du polymère sur la silice. De manière surprenante, les interactions solvant/polymère et solvant/surface ne sont pas des critères discriminants lors de l'adsorption des polymères sur la surface. Les polymères sont finalement contraints de s'adsorber sur deux surfaces de silice séparées de 200 Å. Ce système nous permet d'analyser l'évolution de la labilité des monomères ainsi que la force appliquée par les monomères sur la surface quand la distance entre les deux surfaces augmente. / Polymer/silica interface is investigated using coarse-grained molecular dynamics simulations. In particular, the different behavior of poly(acrylamide) (PAAm) and of poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) on the silica surface is compared. First, we show that the macroscopic behavior of PAAm and of PDMA is correctly represented by a model containing an explicit solvent. Then, the umbrella sampling free energy method is used to probe the detachment of PAAm and of PDMA from a silica surface and to investigate important features that allow - or not - the polymer chain to remain adsorbed on the silica surface. We proved that intramolecular interactions within the polymer and polymer/surface interactions are of first importance for the polymer chain to adsorb on silica. Surprisingly, solvent/polymer as well as solvent/surface interactions are not discriminating criteria. Polymer chains are finally constrained to a particular configuration where one chain is adsorbed on two silica surfaces that are 200 Å apart. This yields interesting insights into the evolution of the monomers lability and of the surface/polymer strength interaction when the two silica surfaces are moved apart.

Les aérogels de silice se classent parmi les matériaux dits superisolants grâce à leurs propriétés thermiques exceptionnelles. Leur très faible conductivité thermique (< 15 mW.m-1.K-1) représente un pouvoir d’isolation convoité par de nombreux secteurs d’activité comme l’isolation thermique du bâtiment, l’aérospatial, le transport, l’emballage, etc.Ces matériaux amorphes nanostructurés atteignent des taux de porosité supérieurs à 90% et sont architecturés sur plusieurs ordres de grandeur. Leur structure se compose d’un réseau poreux tridimensionnel de silice à l’échelle nanométrique. Celui-ci forme un agrégat de plusieurs centaines de nanomètres qui est lui-même la brique élémentaire d’un second réseau poreux à l’échelle mésoscopique. L'architecture 3D nanométrique imbriquée pores / particules, dont la taille est proche du libre parcours moyen des phonons, est à l’origine des propriétés thermiques exceptionnelles des aérogels de silice, cependant, elle est aussi la source de leurs faibles propriétés mécaniques.Cette thèse se focalise sur l’étude à l’échelle nanométrique du comportement mécanique des aérogels de silice par dynamique moléculaire. La première partie porte sur le potentiel interatomique utilisé comme paramètre d’entrée des simulations et plus particulièrement sur sa capacité à reproduire les surfaces de silice amorphe. Ce potentiel, développé pour modéliser les propriétés structurales et énergétiques de la silice amorphe dense, démontre une bonne transférabilité quant aux propriétés de surface. Il permet de simuler avec fiabilité des matériaux de grandes surfaces spécifiques avec des temps de calcul acceptables. La seconde partie s'intéresse successivement à la génération de la nanostructure des aérogels, à la caractérisation des textures formées et à l'étude du comportement mécanique. Les résultats montrent l’influence de la vitesse de déformation et des effets de taille sur l’étude du comportement mécanique en traction et en compression. Les propriétés élastiques sont correctement caractérisées et les mécanismes de déformation identifiés. Enfin des agrégats sphériques de l’ordre de la centaine de nanomètres sont générés afin d’étudier leur comportement mécanique sous compression. Les lois de comportement de ces agrégats, comparables en taille à ceux observés expérimentalement, pourront ensuite servir de paramètres d’entrée et nourrir les simulations aux échelles supérieures / Thanks to their exceptional thermal properties, silica aerogels are considered as superinsulating materials. Their very weak thermal conductivity (< 15 mW.m-1.K-1) stands for an important insulating power which has many industrial applications such as building insulation, aerospacial, transport, packaging, etc.Those amorphous architectured materials can reach more than 90% of porosity and present a porous architecture at different length scales. Their structure is composed by a three dimensional porous and tortuous network at nanometric scale. This network forms an aggregate of a hundred nanometers length which is also the particle of a second porous network at mesoscopic scale. The 3D nanometric architecture of pores / particles, is at the origin of the exceptional thermal properties but is also responsible of the weak mechanical properties.This thesis focuses on the study at nanoscale of the mechanical behavior of silica aerogels using Molecular Dynamics simulations. The first part of the thesis concerns the interatomic potential used as parameter of the simulations and his capacity of reproducing amorphous silica surface properties. This potential has been developped for dense amorphous silica. It also shows a good transferability to model amorphous silica surface properties. It can be used to simulate large volumes of high specific area materials with optimized computational time. The purpose of the second part of this thesis is to generate the porous nanostructure of silica aerogels, to characterize its structure and to study its mechanical properties. The results show the influences of the strain rate and of the simulation box size on the mechanical behavior during tensile and compression tests. Elastic properties are correctly computed and the deformation mechanisms are identified. Finally, hundred nanometers aggregates are generated and their behavior under compression is studied. The behavior laws of these aggregates, comparable in length with the experimental ones, provide precious information for a multiscale model

Les micelles inverses (MI) sont des nano-gouttelettes d'eau, thermodynamiquement stables, dispersées dans une phase organique (généralement une huile), entourées d'une monocouche de tensioactif. Elles sont des modèles membranaires simplifiés, utilisées en biochimie pour solubiliser des protéines enzymes membranaires, peu ou pas solubles. Le fait que la dimension des micelles inverses dépend du rapport molaire Wo=[H2O]/[détergent] et que le contenu en eau dans des micelles inverses peut être finement contrôlé, ce sont des modèles intéressants pour étudier les effets de l'hydratation et du confinement sur la conformation des peptides, protéines et des acidesnucléiques. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié à l'aide des techniques de simulation de dynamique moléculaire (DM), les propriétés structurales et volumétriques (volume et compressibilité) de petites micelles inverses (i.e. avec des rapports 2 ≤ Wo ≤ 7) constituées d'un détergent ionique, le bis(2-ethylexyl sulfosuccinate) de sodium (AOT) et d'un non-ionique, le tétraéthylène glycol monododecylether (C12E4), en fonction de leur hydratation. Ces systèmes micellaires ont été simulés explicitement dans les conditions ambiantes de température et de pression avec des concentrations en solvant organique suffisantes pour reproduire les phases micellaires inverses. 1. Influence de l'hydratation sur les propriétés structurales et volumétriques des micelles inverses d'AOT. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence de la quantité d'eau solubilisée sur les propriétés structurales et dynamiques de l'eau confinée dans les micelles inverses d'AOT. Nous avons montré que : • Les micelles inverses construites avec une géométrie sphérique, ont toutes évoluées au cours des simulations vers une forme ellipsoïdale avec des rapports, entre l'axe majeur et mineur de l'ellipsoïde, plus élevés pour le coeur d'eau que pour la micelle (1.24 - 1.41 et 1.67 - 2.1, respectivement). Nos simulations reproduisent la dépendance linéaire de Rw en fonction de Wo donnée dans la littérature pour ce système ternaire, si on modélise les micelles comme des objets sphériques. Dans les micelles inverses les plus petites, la diffusion de translation de l'eau est fortement ralentie par la forte densité en ions et par le nombre de molécules d'eau liées aux têtes polaires, mais tend à se rapprocher de l'eau pure avec l'augmentation de Wo. • Quand aux propriétés volumétriques des micelles inverses et de l'AOT, nos calculs montrent que les compressibilités isothermes (comprises entre (70 et 78 (± 6).10-5 MPa-1 et 74 et 85 (± 4).10-5, respectivement) des micelles inverses modélisées, interprétés à l'aide du milieu effectif, augmentent de façon linéaire avec le rapport Wo, en accord avec les données de la littérature expérimentale. Dans le cas du volume de l'eau confinée nous avons calculé que celui-ci change peu (4 % de différence), par rapport à l'eau pure, et reste constant avec Wo. La compressibilité de l'eau confinée varie en fonction de Wo entre 24 et 60.10-5 MPa-1. 2. Influence de l'hydratation sur la structure octapeptide d'une alanine encapsulée dans les micelles inverses d'AOT. Dans un second temps, nous avons examiné l'influence de l'hydratation des têtes polaires des molécules d'AOT sur la stabilisation de la structure secondaire d'un peptide modèle (un octapeptide alanine en hélice-a), confiné dans des micelles d'AOT de rapport Wo » 4.8 et 6.8. Ce peptide est instable dans l'eau. Nous avons montré que : • L'insertion des peptides dans les micelles affecte la structure des micelles inverses et notamment celle du coeur d'eau. Dans la micelle la plus petite, où l'eau est majoritairement liée aux têtes polaires et donc peu disponible pour hydrater le peptide, la structure secondaire en hélice-a de l'octapeptide est conservée, alors quelle est plus ou moins rapidement perdue dans les micelles plus hydratées. • Dans le cas des propriétés volumétriques (volumes et compressibilités isothermiques), celles-ci changent peu avec l'insertion des octapeptides dans les deux micelles et restent voisines des valeurs obtenues pour les micelles vides. 3. Influence de la conformation des têtes polaires des détergents sur la structure des micelles inverses de C12E4 avec un rapport Wo=3 Enfin, dans un troisième temps, nous avons étudié l'effet de l'hydratation faible sur la structure et les propriétés volumétriques des micelles inverses de C12E4 dans un rapport Wo=3 avec deux conformations possibles pour les têtes polaires des détergents (i.e. étendue vs. gauche). Ces deux micelles inverses ont été simulées dans le décane. Nous avons montré que : • Seules les propriétés structurales des coeurs d'eau des micelles sont significativement affectées par les conformations données aux têtes polaires des détergents. Lorsque que les têtes polaires sont gauches, l'eau confinée est peu liée aux têtes polaires et reste au centre de la micelle pour former un pool d'eau compact avec une structure proche de celle de l'eau pure. Avec les têtes polaires en conformation étendue, le piégeage des molécules d'eau au niveau des têtes des C12E4 est favorisé, ce qui a pour conséquence une diminution de leur diffusion de translation. • Quand aux compressibilités isothermes des micelles inverses, celles-ci ne sont pas significativement modifiées en fonction de la conformation des têtes polaires des détergents et sont proches de 54 et 57 (± 5).10-5 MPa-1. Le volume des molécules d'eau confinées dans les deux micelles ne montrent pas de variations que leur état soit liée ou libre et sont proches du volume de l'eau pure. Cependant, on constate que les compressibilités isothermes de l'eau confinée présentent des différences en fonction de leur état l'eau liée présente une compressibilité isothermique environ deux fois plus faible (25 (± 2).10-5 MPa-1) que celle de l'eau pure, et sa compressibilité augmente avec la fraction d'eau libre dans les micelles. Finalement, la confrontation de nos résultats avec ceux de la littérature nous a permis de proposer un modèle de structure pour les micelles inverses de C12E4 de rapport Wo< 3.ety.

La modélisation de la cinétique d'oxydation des métaux est complexe car elle conjugue des phénomènes tant macroscopiques que microscopiques. Ce travail a donc pour but d'incorporer dans des modèles macroscopiques, l'influence des phénomènes locaux (microscopiques) et plus particulièrement d'appliquer cette approche à la modélisation des cinétiques d'oxydation. Cette étude se divise en deux grandes parties, l'une macroscopique basée sur la thermodynamique irréversible permettant d'obtenir les lois d'évolution du système métal oxyde afin de les résoudre numériquement pour modéliser les cinétiques d'oxydations. La seconde, microscopique consiste en l'étude par dynamique moléculaire du comportement thermomécanique de différentes surfaces d'aluminium et du calcul de leur densité d'énergie de surface. Ceci est complété par la réalisation d'un modèle empirique permettant d'obtenir la valeur de la densité d'énergie de surface en fonction de la déformation et de la température.

Les proteines ErbBjHER appartiennent a la famille des recepteurs a activite tyrosine kinase (RrK). Ces recepteurs participent a un reseau complexe d'jnteractions a la surface de la cellule et controlent la proliferation et la differenciation cellulaire. Cette famille de 4 membres (ErbBljEGFR, ErbB2, ErbB3, ErbB4) forme des homodimeres etjou des heterodimeres apres fixation du ligand. La deregulation de ce reseau d'interactions est associee a de nombreux cancers humains.<br />Le domaine tr~smembranaire joue un role dans la fonction de ces recepteurs et l'implication des motifs de type GxxxG dans les processus d'association suscite un interet particulier. Des etudes experimentales montrent une correlation entre la hierarchie des interactions des recepteurs entiers et celIe des domaines transmembranaires.<br />Une methode theorique de recherche de modeles d'association des heterodimeres a ete develoHpee permettant de quantifier les interactions entre les domaines membranaires et de definir Ie role des motifs dans l'association. Des simulations de dynamique moleculaire effectuees sur l'ensemble des modeles montrent une preference d'association gauche des helices. Les petits residus appartenant aux motifs de dimerisation sont presents a l'interface des deux helices. Nos etudes montrent que les domaines transmembranaires participent a la specificite et a la selectivite des recepteurs dans les processus de dimerisation.

Les télomères sont des complexes nucléoprotéiques localisés à l'extrémité des chromosomes des cellules<br />eucaryotes. L'ADN télomérique humain contient entre 500 et 3000 repétitions de la séquence d(T2AG3)n (brin-G) et de son brin complémentaire C3TA2 (brin-C). Le brin G est terminé par une extrémité simple brin contenant de 50 à 200 nucléotides. Les télomères jouent des rôles essentiels au niveau cellulaire en permnettant la protection des chromosomes.<br />Un modèle proposé pour expliquer le rôle protecteur des télomères est le modèle de la boucle-T (télomérique) / boucle-D (déplacement). Dans ce modèle, on observe le repliement de I'ADN télomérique double brin et I'insertion de la partie simple brin dans la partie double brin. La formation de ces boucles fait intervenir, directement ou indirectement, denombreuses protéines comme les protéines TRF1 et TRF2. Néanmoins les mécanismes moléculaires et notamment le rôle de la protéine TRF2 dans la formation de ces boucles restent spéculatifs.<br />Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit expose l'étude par Résonance Magnétique Nucléaire du domaine<br />de fixation à I'ADN de la protéine TRF2 (domaine Myb) et de ses interactions avec-l'ADN télomérique ainsi que<br />l'étude de modèles de boucles-D.<br />Après la détermination de la structure tridimensionnelle et l'étude de la dynamique interne du domaine Myb de<br />TRF2, nous avons réalisé l'étude des interactions du domaine Myb avec I'ADN télomérique. Ainsi, deux complexes entre le domaine Myb de TRF2 et I'ADN télomérique ont été étudiés par RMN et ont permis de mieux comprendre le rôle du domaine Myb en montrant sa grande spécificité pour I'ADN télômérique double brin. Ensuite quatre modèles de boucles D différents ont été étudiés par RMN afin d'en déterminer les structures tridimensionnelles.

Cette étude porte sur le rôle d'un co-dopage sur l'environnement des ions de terre rare dans un verre de silice et ses conséquences sur la spectroscopie de l'élément luminescent. Deux codopages différents ont été étudiés : un co-dopage par des ions aluminium et un par des ions hafnium. Les échantillons de verre dopé et co-dopé ont été obtenus par procédé sol-gel et étudiés par différentes méthodes d'investigations expérimentales : spectroscopie de luminescence, spectroscopie FLN, spectroscopie Raman, spectroscopie EXAFS. En parallèle des observations expérimentales, des simulations numériques par dynamique moléculaire ont été réalisées pour détailler différents environnements hypothétiques. Ce travail a mis en évidence des modifications dans l'environnement proche de la terre rare par l'incorporation de co-dopant dans le matériau qui ont été interprétées comme : une augmentation du nombre d'oxygène non-pontant améliorant la solubilité des ions de terre rare dans le verre ; une augmentation de la distance et une modification de la covalence des premiers voisins par rapport à la terre rare induisant une augmentation du champ cristallin subi par l'ion luminescent et une diminution de l'énergie de phonon réduisant les transferts d'énergie. Les simulations par dynamique moléculaire n'ont pas révélé un effet dispersant de l'aluminium sur les agrégats d'ions de terre rare. Par contre l'effet a pu être clairement observé sur les simulations numériques de verre contenant de l'hafnium.

La formation de H2 dans le milieu interstellaire, à partir de deux atomes H, est une question essentielle en astrophysique. Cette réaction exothermique qui a lieu à la surface d'un grain de poussière interstellaire est la première étape d'une suite de réactions primordiales pour la physico-chimie. Dans les nuages diffus et les régions de photodissociation, on invoque pour mécanisme de formation une réaction de catalyse hétérogène Eley Rideal, un des atomes étant chimisorbé. Les grains sont principalement carbonés et constitués notamment de graphite. Les travaux théoriques antérieurs effectués en géométrie réduite n'ont pas permis d'expliquer la formation de H2 dans les états rovibrationnels observés (v<5). Pour prendre en compte les degrés de liberté de tous les atomes, nous avons conçu à partir du potentiel de Brenner, un nouveau potentiel pour modéliser le système graphène-H-H avec lequel nous avons réalisé une étude de dynamique moléculaire classique de la formation de H2. Cette étude a été effectuée pour des énergies de collision d'atomes H incidents de 0.015eV à 0.2eV et pour des surfaces à 0, 10 et 30K. Un des résultats principaux est que la section efficace de réaction est directement reliée à l'allure du potentiel que voit l'atome H incident. De plus, il a été mis en évidence que la distribution rovibrationnelle obtenue en autorisant la relaxation de la surface correspond mieux à celle observée par les astrophysiciens (v < 6), la surface absorbant ~25% de l'énergie disponible. Des travaux étudiant l'influence de la présence d'un atome H supplémentaire sur la surface ou d'une possible structure poreuse des grains, sur la formation de H2, sont présentés en annexe.