No description available.

Au niveau de la synapse, la liaison des neurotransmetteurs aux récepteurs membranaires induit l’ouverture de canaux ioniques. Le Récepteur de la Glycine (RGly) est un récepteur ionotrope impliqué dans des troubles neuronaux tels que l’addiction, la douleur chronique, ou l’hyperekplexie ; pour cette raison il est important de développer des nouveaux traitements ciblant ce récepteur. Nous avons utilisé des simulations de Dynamiques Moléculaire (DM) et d’électrophysiologie numérique afin d’évaluer la fonction des structures du RGly disponibles et montré qu’aucune d’entre elles ne satisfait les propriétés fonctionnelles de l’état ouvert. Grâce aux simulations de DM, nous avons caractérisé une nouvelle conformation du RGly, qui est compatible avec cet état. Nous avons souligné le rôle majeur des portails latéraux pour la perméation des ions. Nous avons proposé un protocole, nommé pharmacologie dépendante de l’état, pour identifier des molécules modulatrices de protéines allostériques. / Signals within neurons are mostly transmitted through chemical synapses. Signal transduction arises from the binding of neurotransmitters to membrane receptors in order to open ion channels. The Glycine Receptor (GlyR) is an ionotropic receptor which is involved in several neurological disorders such as addiction, chronic pain, or hyperekplexia. Because of its implication in human diseases, it is interesting to design novel drugs targeting this receptor. We used Molecular Dynamics (MD) simulations and computational electrophysiology to probe the function of available GlyR structures. We showed that none of the experimental structures display the physiological behavior of the conductive state. Using MD simulations, we captured a novel conformation of the GlyR compatible with a conductive state and demonstrated the importance of lateral portals for ionic permeation. Lastly, we proposed an original protocol, named state-based pharmacology, to discover modulators of allosteric proteins.

Le potentiel des nanoparticules d'or (AuNPs) pour améliorer l’efficacité de la radiothérapie est démontré par de nombreuses études expérimentales in vivo et in vitro. Ces particules métalliques augmentent significativement l’effet de la radiosensibilisation. La réaction en jeu est la radiolyse de l’eau: une fois excitées par un rayon X, elles génèrent des espèces réactives oxygénées qui amplifient les dégâts d’ADN et mènent à une plus grande destruction des cellules cancéreuses. Cependant, pour une efficacité thérapeutique plus optimale, plusieurs propriétés des AuNPs doivent être prises en compte lors de la synthèse comme leur taille, leur forme et leur surface qui sont suspectibles d’influencer ses effets catalytiques dans l’environnement biologique (majoritairement de liquide d’eau). Ces aspects structuraux ne sont pas encore examinés dans l’état de l’art, ni expérimentalement ni théoriquement. Ce travail de thèse a pour but de rationaliser la stabilité de AuNPs dans un environnement chimique ou biologique avant l’irradiation par des outils de modélisation théorique. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la stabilité des AuNPs dans la gamme de 1- 3.4 nm. Nous étudions ensuite le comportement de ces nanoparticules dans un environnement biologique (hydratation) et chimique modèle (PEGylation), et la combinaison des deux environnements. Quand les nanoclusters de 0.9-1.8 nm sont en interaction avec une couche de molécules d’eau à saturation, nous avons montré qu’il y a une transformation de NPs métastables (dans le vide) telles que l'ino-décaèdre en NPs métastables plus favorables telles que l'icosaèdre. Alors qu’en présence d’une couche de ligands PEG, la liaison forte Au-S et les liaisons hydrogène entre les ligands entraînent une déformation significative de la morphologie de la nanoparticule, à savoir une stellation du décaèdre Au54. Par ailleurs, nous avons montré que les ligands PEG promeuvent le confinement de quelques molécules d’eau à proximité des AuNPs. Nos conclusions ouvrent des perspectives intéressantes pour la modélisation théorique de la radiolyse de l’eau. Parallèlement à ces études, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de différents types de lésions d’ADN. Deux projets ont été menés: premièrement, nous démontrons l’interaction d’un peptide trilysine avec un oligonucléotide qui pourrait conduire à la formation de pontage d’ADN-polyamine. Ensuite, le deuxième projet porte sur la rationalisation de différents taux de réparation de dimères de cyclobutanemathide iochella pyrimidine en présence de l’enzyme de reconnaissance DDB2 à l’échelle atomique. / The potential of gold nanoparticles (AuNPs) to improve the performance of radiotherapy is demonstrated by numerous in vivo and in vitro experimental studies. These metallic particles increase significantly the radiosensitization effect. Upon water radiolysis, AuNPs generate reactive oxygen species that amplify DNA damage and lead to a greater destruction of cancerous cells. Nevertheless, for a more optimal therapeutic efficacy, several properties of AuNPs must be taken into account during the synthesis, such as their size, shape and surface which can tune their catalytic effects in the biological environment (mainly liquid water). These structural aspects are not yet examined in the state-of-the-art, either experimentally or theoretically. This thesis aims to rationalize the stability of AuNPs in the presence of chemical or biological environment before irradiation by using theoretical approaches. Firstly, we have modeled the stability of AuNPs in the range 1- 3.4 nm. We have then studied the behavior of these nanoparticles in a biological (hydration) and chemical (PEGylation) model environment, and the combination of the two environments. When 0.9-1.8 nm nanoclusters interact with a complete shell of water molecules, we have shown that metastable ino-decahedrons (in vacuum) are transformed into more favourable metastable icosahedrons. While in the presence of monoshell of PEG ligands, the strong Au-S bond and the hydrogen bonds between the ligands induce a significant deformation on the nanoparticle morphology, i.e. stellation of the Au54 decahedron. In addition, we have shown that PEG ligands promote the confinement of a few water molecules in the vicinity of AuNPs. Our conclusions open interesting perspectives for the theoretical modeling of water radiolysis. In parallel with these studies, we have focused on the characterization of different types of DNA lesions. Two projects have been performed: firstly, we have studied the interaction of a trilysine peptide with an oligonucleotide which could lead to the formation of DNA-polyamine cross link. Then, the second project focuses on rationalizing different repair rates of cyclobutane pyrimidine dimers in the presence of the DDB2 recognition enzyme at the atomic scale.

Les catalyseurs d’hydrocraquage et d’hydroisomérization sont bifonctionnels, avec une fonction hydro-déshydrogénante et une fonction acide, une zéolithe protonée, pour isomériser et craquer les alcènes. Par dynamique moléculaire ab initio avancée, et avec prise en compte explicite des effets thermiques (300 – 500 K), nous avons étudié les mécanismes d’isomérisation et de craquage d’alcènes C7 dans la zéolithe chabazite dans le but d’obtenir des constantes de vitesse fiables et d’interpréter la distribution des produits.Par la méthode blue moon, nous avons établi les premiers profils d’énergie libre d’isomérisations d’alcènes C7, avec des carbocations intermédiaires (et des états de transition cyclopropanes protonés, PCP), reliant des isomères di- à tri- et mono- à di-branchés (Sections III et IV). Nos simulations démontrent que les effets dynamiques et l’échantillonnage correct des rotamères jouent un rôle crucial sur la stabilité des intermédiaires et des états de transition. Ces effets ne pouvaient pas être décrits par les précédentes études de DFT statiques. Les barrières bien plus basses pour l’isomérisation de type A sont ainsi retrouvées, et expliquées par un état de transition mou, alors que l’état de transition de l’isomérisation de type B est contraint, à cause de la formation d’un edge PCP. L’étude des réactions de craquage avec les mêmes méthodes (Section V) éclaircit le rôle des cations secondaires. Pour la première fois, nous identifions les états de transitions des β-scissions. Nous déduisons de cette analyse des constantes de vitesse ab initio qui pourront être utilisées dans un modèle cinétique pour prédire l’activité et la sélectivité du catalyseur. / Hydrocracking and hydroisomerization catalysts are bifunctional, with a hydro-dehydrogenation function and an acidic function, typically an acid zeolite, to isomerize and crack alkenes. With advanced ab initio molecular dynamics approach, and explicit simulation of the effects of temperature (300 – 500 K), we investigate the mechanisms of isomerization and cracking reactions of C7 alkenes within the chabazite zeolite in order to provide reliable rate constants and explain the observed products distribution. By blue moon sampling, we established for the first time, the free energy profiles for the isomerization of C7 alkenes in zeolites, with carbenium ions as intermediates (and protonated cyclopropane (PCP) as transition states), connecting di- to tri-branched, and mono- to di-branched alkene isomers (Sections III and IV). We demonstrate that the dynamic effects with the correct sampling of rotational conformers play an important role to quantify the stability of the key intermediates and transition states. These effects could not be captured by previous static DFT simulations. The much lower barriers for type A isomerization mechanisms are thus recovered, and assigned to a loose transition state, while the transition state of type B isomerization is tighter, due to the formation of an edge PCP. The study of cracking reactions (Section V) with the same methods, unravel the role of secondary cations. For the first time, we identify the structures of transition states involved in the β-scission mechanisms. From this analysis, we deduce the ab initio- rate constants that could be used in future kinetic modeling to predict activity and selectivity of the catalyst.

Dans cette thèse nous avons réalisé une étude théorique concernant les mécanismes de formation et les propriétés de transport électronique de fils de section atomique d’Au et de Pt.Pour cela, nous avons utilisé un Hamiltonien de Liaisons Fortes donnant accès aux propriétés électroniques et à l’énergie totale. Lors de nos simulations de traction de nanofils cristallins en Dynamique Moléculaire nous avons observé la formation de structures assimilables `a des nanotubes dont la chiralité évolue au cours de la déformation. En poursuivant la traction, nous avons observé la formation de structures planes (ou rubans) dans le cas de l’Au et du Pt. Ces rubans permettent de former des fils de section atomique pour l’Au mais pas pour le Pt, la différence étant liée aux propriétés mécaniques des éléments. Les calculs réalisés sur les propriétés de transport ont mis en évidence des effets d’interférence destructive induits par la géométrie du système. / In this thesis we study the formation mechanisms and the electronic transport propertiesof Au and Pt atomic wires. We have used a Tight Binding Hamiltonian giving access to theelectronic structure and to the total energy. By performing traction simulations of cristallinenanowires by Molecular Dynamics we observe the formation of structures similar to nanotubeswhose chirality evolve during the deformation. Following the traction process we observe theformation of planar structures (or ribbons) for both Au and Pt. These ribbons give rise to theformation of wires of atomic section for Au but not for Pt, the different behavior is related withthe different elastic properties of the two elements. Our preliminary results on the electronictransport properties show interference effects induced by the geometry which can cancel out theconductance.

Ce travail de thèse est focalisé sur l'interaction de molécules organométalliques avec des métaux de transition. Cette thématique a un large éventail d'applications dans plusieurs domaines tels que la réalisation de nanojonctions pour la nano-électronique, la bioimagerie et le stockage d'énergie magnétique, la nano-catalyse et les applications biomédicales. Dans ce cadre général, ce projet de thèse vise la modélisation à l’échelle atomique des interactions fondamentales entre les briques moléculaires afin de comprendre leur rôle dans l’assemblage et la fonctionnalisation des nanostructures. L’outil principal utilisé est la dynamique moléculaire à partir des premiers principes selon les approches Born-Oppenheimer et Car-Parrinello. La première partie de cette thèse présente une rétrospective du domaine afin de donner une vision d’ensemble des méthodes utilisées et de l’état de l’art dans ce domaine. Le deuxième chapitre donne les éléments de base de la théorie et les méthodes qui ont été utilisées dans la thèse, au développement desquels on a aussi contribué pendant ce projet de recherche. Les résultats obtenus et leur discussion critique constituent le corps principal de cette ouvrage de thèse. Ceci est organisé dans un chapitre unique (troisième chapitre), divisé en trois sous-chapitre pour des raisons de clarté. / The purpose of this study is to investigate the interaction of organometallic complexes with transition metals. This topic in question has a broad array of applications in a number of domain; realization of nanojunctions for molecular nanoelectronics, biological imaging and nanocatalysis. Within this general framework, this PhD project aims to model the fundamental interactions of molecular building blocks at the atomic level in order to understand their role in the assembly and functionalization of nanostructures. The principal tool used in this study is first-principles simulation methods such as the Born-Oppenheimer and Car-Parrinello molecular dynamics. The first chapter presents an emphasis of the current developments in the related field alongside of a retrospective on the historical developments that leads today's knowledge. The second chapter presents the basic elements of the theory behind the methods that were used in the thesis, whose development has also been contributed during this research project. Lastly, the third chapter which is organized in three sub-chapters enumerates and describes the results of the various systems studied.Molecular dynamics, constrained dynamics, molecular electronics, molecular junctions, ferrocene, fullerene, metal-organic precursors.

Un procédé de synthèse de dépôts nanostructurés de céramiques à bases d’aluminium au sein de composites carbone/carbone (C/C) est développé. Il consiste à synthétiser à partir de précurseurs dissout en solution aqueuse des nano-particules de morphologies variées. La maîtrise du procédé se déroule en deux étapes. Dans un premier temps une étude sur substrat plan permet de saisir les points clés du procédé, puis l’adaptation de la synthèse au sein d’un échantillon massif permet le changement d’échelle à des échantillons fibreux. Quatre gammes d’éprouvettes de matériaux densifiés sont ainsi élaborées. La caractérisation des matériaux permet de prouver la bonne cohésion de ceux-ci et de mesurer plusieurs propriétés mécaniques et structurales.En complément plusieurs interfaces carbone|alumine ou nitrure d’aluminium sont simulées par une approche de dynamique moléculaire ab initio. La méthode choisie pour générer les modèles consiste à simuler la trempe d’un carbone amorphe à haute température sur une surface céramique immobile, puis de relaxer les contraintes.Des disparités sur l’organisation structurale des nano-structures et en particulier sur l’orientation des plans de graphène générés vis-à-vis de la surface sont observées en fonction des modèles. Lorsque les plans sont plutôt perpendiculaires à la surface, l’interface est constituée de nombreuses liaisons fortes et le comportement en simulation de traction est bon, tandis que des plans parallèles entrainent une interface et un comportement faible.Enfin, la caractérisation HRTEM de certains matériaux élaborés permet d’identifier expérimentalement des interfaces semblables à celles obtenus par les modèles. / A hydrothermal-like process to introduce nano-structured alumina and aluminum nitride in carbon/carbon (C/C) composites is developped. Starting from dissolved reactants in an aqueous media,nanoparticules with various morphology are synthesised. The understanding and control of the processis completed in two steps. In the former the study on simplewafer type substrat allows to identifythe key parameters of the process. During the latter a scaling up of the process is done to allow thesynthesis in situ of C/C composites. The microstructural and some mechanical characterization ofthe four ranges of material produced is achieved.In addition several carbon|alumina and carbon|aluminumnitride are simulated using an ab initiomolecular dynamic approach. The methdology to generate the models consists in sumulating theliquid quench of a high temperature amorphous carbon inbetween fixed ceramic surface, then torelease the constrains. Depending on the system, different organisations of the nano-carbons withinthe surfaces are identified : when the graphene sheets are pependicular to the surface, the modelshows an important number of strong bonds and the simulation traction behavior is good, whereaswhen they are parallel to the surface it leads to weak interface and mechanical behavior.Finally HRMET charasterization of some of the materials produced allows to identify experimentalinterfaces alike to those obtained during themolecular dynamic simulations.

Le présent manuscrit présente le développement méthodologique du calcul de la tension de surface d’interfaces solide-liquide via des simulations de dynamique moléculaire. Après une courte présentation des avancées dans le domaine du calcul de la tension de surface pour les interfaces fluide-fluide et solide-fluide, les principales méthodes de calcul de la tension de surface d’un point de vue théorique sont montrées et généralisées pour le cas des interfaces solide-liquide, puis mises en oeuvre dans le cas de simulations de dynamique moléculaire. Un système école, constitué d’une feuille de graphène pour la phase solide et d’un bain de méthane pour la phase liquide, est ensuite étudié pour observer l’influence des artefacts de simulation sur le calcul de la tension de surface, montrant en particulier des effets de taille bien plus importants que pour le cas des interfaces liquide-liquide. Un autre système constitué d’une tranche de cuivre pour la phase solide, et d’un bain de méthane pour la phase liquide, a permis d’étudier l’effet inédit aux systèmes solide-liquide appelé anisotropie, montrant en particulier l’importance du caractère tensoriel de la tension de surface pour ce type de système. L’influence des paramètres du potentiel croisé entre les atomes de cuivre et de méthane est ensuite étudié. Finalement, deux systèmes applicatifs sont abordés, d’une part le système graphène-eau permettant d’étudier les effets de l’interaction électrostatique, et d’autre part un système constitué d’un solide explosif, le 1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzène (TATB) en contact avec un bain polymère pour la phase liquide, représentatif d’un cas réel d’intérêt. / This manuscript presents the methodological development of surface tension calculation of solid-liquidinterfaces via molecular dynamics simulations. After a short presentation of the advances in the field ofsurface tension calculation for fluid-fluid and solid-fluid interfaces, the main methods of surface tensioncalculation from a theoretical point of view are shown and generalized for solid-liquid interfaces, thenimplemented in the case of molecular dynamics simulations. A school system, consisting of a graphenesheet for the solid phase and a methane bath for the liquid phase, is then studied to observe the influenceof simulation artifacts on the surface tension calculation, showing in particular much larger size effectsthan in the case of liquid-liquid interfaces. Another system consisting of a copper slice for the solid phaseand a methane bath for the liquid phase made it possible to study the novel effect of solid-liquid systemscalled anisotropy, showing in particular the importance of the tensor character of the surface tension forthis type of system. The influence of the parameters of the cross potential between copper and methaneatoms is then studied. Finally, two application systems are discussed, on the one hand the graphene-watersystem for studying the effects of electrostatic interaction, and on the other hand a system consisting ofan explosive solid, 1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene (TATB) in contact with a polymer bath for theliquid phase, representing a real case of interest.

Les aciers inoxydables austénitiques sont très utilisés dans l’industrie nucléaire comme structure interne. Ces structures se retrouvent en grande majorité dans la cuve du réacteur et, du fait de leur proximité avec les assemblages combustibles, sont soumis à de rudes conditions d’utilisation. Ces éléments sont donc exposés à des doses d’irradiation élevées et peuvent atteindre 100 dpa après 40 ans d’utilisation, à une température proche de 350°C. Ces conditions d’utilisation modifient la microstructure de l’acier et son comportement mécanique, ce qui entraîne une dégradation de leurs propriétés mécaniques et de leur résistance à la corrosion. L’objectif de cette thèse est d’établir à l’échelle atomique une loi de comportement décrivant le déplacement d’une dislocation coin dans une solution solide Fe-Ni10-Cr20, d’apporter une compréhension des mécanismes d’interaction entre une dislocation coin et une boucle de Frank et d’investiguer l’effet de la température, du générateur aléatoire d’alliage, de l’orientation et du diamètre de la boucle sur la contrainte mécanique. Pour atteindre ces objectifs, des simulations en dynamique moléculaire sont réalisées, basées sur potentiel FeNiCr récemment développé pour imiter le comportement de l’acier austénitique inoxydable. Les simulations sont réalisées en conditions statiques, à 300 K, 600 K et 900 K et les interactions effectuées pour des tailles de boucle de Frank de 2 nm et 10 nm. nous proposons une loi de comportement où sont incluses la température et la vitesse de déformation; l’interaction entre la dislocation coin et la boucle de Frank révèle trois types de mécanismes d’interactions : le cisaillement simple, le défautement et l’absorption de la boucle. L’absorption est le mécanisme le plus stable ; Les analyses des propriétés mécaniques résultantes ont montré que le mécanisme de défautement requiert la contrainte la plus élevée pour que la dislocation franchisse l’obstacle. D’autre part, contrairement aux études précédentes, le défautement de la surface de la boucle n’a lieu que lorsque celle-ci entre en contact avec la dislocation coin ; dans le cas de la boucle de Frank de 2 nm, la corrélation entre la probabilité du mécanisme d’interaction et la force moyenne de l’obstacle constitue des données utiles pour les simulations en Dynamique des Dislocations. Les observations des configurations résultantes de la boucle de Frank suite à l’interaction avec la dislocation permettent de justifier l’apparition de bandes claires observées au MET. Ce travail a été partiellement soutenu par la Commission européenne FP7 par le numéro de subvention 232612 dans le cadre du projet PERFORM 60. / Austenitic stainless steels are widely used in the nuclear industry as internals. These structures reside mainly in the reactor vessel and, due to their proximity with fuel assemblies, are subjected to severe operating conditions. These elements are exposed to high irradiation doses which can reach 100 dpa after 40 years of operating, at a temperature close to 350°C. These operating conditions affect the microstructure of steels and their mechanical behavior, which leads to the deterioration of their mechanical properties and their corrosion resistance. The objective of this PhD research work is to establish at the atomic scale a constitutive law describing the edge dislocation motion in a random Fe-Ni10-Cr20 solid solute solution, to bring a comprehensive understanding of the interaction mechanism between the edge dislocation and the Frank loops and to investigate the effect of temperature, alloying random generator, orientation and size of the Frank loop on the mechanical stress. To achieve these objectives, molecular dynamics simulations were conducted with a recently developed FeNiCr potential used to mimic the behavior of austenitic stainless steels. These simulations have been performed in static conditions as well as at 300 K, 600 K and 900 K and the interactions realized for loop sizes of 2nm and 10nm. A constitutive law taking into account the temperature and strain rate is proposed; the interaction between the edge dislocation and the Frank loop revealed 3 kinds of interaction mechanisms: simple shearing, unfaulting and absorption of the loop. Absorption is the most stable mechanism; the analyses of the resulting mechanical properties have shown that the unfaulting mechanism requires the highest stress to make the dislocation overcome the obstacle. On the other hand, contrary to previous studies, the unfaulting of the loop surface occurs only when the dislocation comes into contact with the edge dislocation; for the 2 nm Frank loop size, the coupling between the probability of the outcome of the reaction and the average strength of the obstacle constitutes useful data for Dislocation Dynamics simulations. The observations of the resulting Frank loop configurations following the interaction with the dislocation allow justifying the emergence of clear bands observed in TEM. This work has been partially supported by the European Commission FP7 with the grant number 232612 as part of the PERFORM 60 project.

Selon la théorie de Cottrell et Bilby, les dislocations à travers leur champ de contrainte interagissent avec les atomes de soluté qui s’agrègent au cœur et autour des dislocations (atmosphère de Cottrell). Ces atmosphères « bloquent » les dislocations et fragilisent le matériau. Dans cette thèse, les techniques de simulations à l’échelle atomique telles que la Dynamique Moléculaire, les simulations Monte Carlo Cinétique, Monte Carlo Métropolis ont été développées qui permettent de prendre en compte les interactions entre plusieurs centaines d’atomes de carbone et la dislocation, pour étudier la cinétique de formation ainsi que la structure d’une atmosphère de Cottrell. Par ailleurs, la technique de simulation est appliquée à deux autres problématiques: premièrement, il est connu que les atomes de C dans la ferrite se mettent en ordre (mise en ordre de Zener). La stabilité de cette phase est étudiée en fonction de la température et la concentration de C. Deuxièmement, la ségrégation des atomes de soluté dans les nano-cristaux de Ni ainsi que la stabilité des nano-cristaux avec les atomes de soluté dans les joints de grain à haute température est étudiée. / The objective of the thesis was to understand the microscopic features at the origin of ageing in metals. The originality of this contribution was the com- bination of three complementary computational techniques : (1) Metropolis Monte Carlo (MMC), (2) Atomic Kinetic Monte Carlo (AKMC), and, (3) Molecular Dynamics (MD). It consisted of four main sections : Firstly the ordering occurring in bulk alpha-iron via MMC and MD was studied. Various carbon contents and temperatures were investigated in order to obtain a “phase diagram”. Secondly, the generation of systems containing a dislocation interacting with many carbon atoms, namely a Cottrell Atmosphere, with MMC technique was described. The equilibrium structure of the atmosphere and the stress field around the atmospheres proves that the stress field around the dislocation was affected but not cancelled out by the atmosphere. Thirdly, the kinetics of the carbon migration and Cottrell atmosphere evolution were investigated via AKMC. The activation energies for carbon atom migration were calculated from the local stress field and the arrangement of the neigh- bouring carbon atoms. Lastly, an application of the combined use of MMC and MD to describe grain boundary segregation of solute atoms in fcc nickel was presented. The grain growth was inhibited due to the solute atoms in the grain boundary.