La solvatation joue un grand rôle dans la réactivité des métaux cationiques. Comprendre celle-ci passe, entre autres, par l'étude de l'interaction entre ces ions et le milieu environnant. Une approche possible, celle suivie au cours de cette de thèse, est d'étudier l'énergétique et la structure d'agrégats formés à partir d'un ion métallique entouré par un nombre fini de molécules de solvant. Les travaux rapportés dans cette thèse portent sur les cations monochargés M(H2O)n+ avec M=Fe,Co,Au et n=1...10, synthétisés par irradiation laser d'un barreau métallique suivit d'une détente supersonique. Des expériences de collision sur He et Ne ont été conduites afin de déterminer des énergies de seuil de fragmentation, ainsi que des sections efficaces. Pour effectuer cette étude, nous avons utilisé un spectromètre de masse à temps de vol, adapté par la mise au point d'un dispositif de Wiley-McLaren à double impulsion permettant de varier l'énergie de collision à résolution en masse constante. Des calculs de dynamique moléculaire ont été réalisés pour comprendre et modéliser le transfert d'énergie entre les agrégats et He. Ceux-ci, par comparaison avec l'expérience, ont permis de déterminer des énergies de liaison, et de proposer des mécanismes de fragmentation. Des expériences de photofragmentation sur ces mêmes agrégats ont été interprétées grâce aux résultats de l'étude collisionnelle. Les expériences réalisées ont mis en évidence la présence de plusieurs structures pour la plupart des agrégats étudiés. En particulier, montré l'existence d'espèces filamentaires métastables, c'est-à-dire disposant de molécules d'eau en couches de solvatation externes, alors que la première couche reste incomplète. Les proportions des différentes structures ont été déterminées par le nombre de molécules d'eau directement liées à l'ion. L'étude des espèces métastables permet une exploration complète, donc une bonne connaissance, de la surface de potentiel ion métallique - solvant.

Les travaux présentés dans cette thèse démontrent l'utilité des simulations de dynamique moléculaire pour l'étude de processus complexes de reconnaissance moléculaire en solution, de complexation et de l'extraction liquide-liquide, avec un regard particulier porté sur les événements microscopiques qui se produisent à l'interface entre deux liquides non miscibles. Des études préliminaires concernent la représentation adéquate des cations trivalents terres rares La3+, Eu3+ et Yb3+ dans les simulations de dynamique moléculaire classiques, en explorant des aspects structuraux et énergétiques d'un système modèle caractérisé expérimentalement, impliquant des ligands de type pyridine dicarboxamide. La complexation de ces cations par un calixarène développé récemment a été étudiée montrant des caractéristiques inattendues, notamment la position du cation dans le complexe. Une étude expérimentale indépendante publiée par la suite a confirmé ces résultats. Un autre volet de ce travail concerne des systèmes d'extraction liquide- liquide industriels impliquant le tri-n-butyl phosphate (TBP) comme co- solvant, extractant, surfactant et agent de synergie. Nous examinons 1) des effets de concentration avec des simulations de jusqu'à 60 TBP à l'interface eau/chloroforme, 2) l'acidité de la phase aqueuse en considérant des modèles neutre et ionique de HNO3 et 3) des aspects de synergie dans des systèmes d'extraction mixtes TBP/calixarène. Ces simulations apportent les premières vues microscopiques de tels phénomènes. Enfin, nous avons simulé les aspects énergétiques du transfert d'un soluté à travers l'interface eau/chloroforme. Le potentiel de force moyenne d'un tel processus a été calculé et par des méthodes standards et par des approches nouvelles.

Afin de comprendre la production de fragments qui se déroule dans les collisions d'ions lourds aux énergies intermédiaires, nous avons fait une étude à la fois expérimentale et théorique du phénomène de multifragmentation. Les données recueillies avec le multidétecteur INDRA sur une large gamme en énergie incidente pour le système Xe+Sn ont permis de faire une étude des collisions centrales et de montrer que le maxim̀um de production de fragments se situe autour de 65 MeV/n d'énergie incidente. Un examen plus approfondi des collisions centrales entre 32 et 50 MeV/n d'énergie de bombardement, fondé sur les fonctions de corrélation fragment/particule, a aidé à déterminer les caractéristiques des fragments primaires produits au cours de la collision. Il a été montré que les énergies d'excitation de ces fragments saturent vers une valeur de 3 MeV/n à partir de 39 MeV/n d'énergie de faisceau, et que les particules évaporées représentent moins de 40% (23% à 50 MeV/n) de toutes les particules légères chargées, ce qui montre l'importance de la dynamique de la collision. Afin de mieux comprendre ces grandeurs, d'étudier le rôle de la dynamique et l'évolution en temps de la collision, des calculs avec le modèle de dynamique moléculaire antisymétrisée AMD ont été effectués. Les simulations donnent une bonne image des données expérimentales, notamment des collisions les plus centrales à 50 et 100 MeV/n d'énergie incidente pour le système Xe+Sn. Pour cela des développements du modèle ont été nécessaires afin de bien prendre en compte la diffusion des nucléons dans le milieu. Les calculs ont permis de situer le temps de formation des fragments entre 100 et 200 fm/c dans le cas des collisions centrales à 50 MeV/n d'énergie incidente, et de monter un effet de transparence, qui existe même dans les collisions les plus centrale. Les comparaisons avec les données expérimentales montrent que cet effet est légèrement surestimé dans les calculs.

Ce travail, effectué dans le cadre d'une collaboration entre l'IPN d'Orsay et EDF, contribue aux études destinées à améliorer la compréhension du comportement des radioéléments en production (centrale en fonctionnement) et à l'aval du cycle électronucléaire (stockage géologique profond des déchets). Le comportement et l'évolution des radioéléments sont fortement dépendants des interactions aux interfaces eau / surface minérale, phénomènes complexes et souvent difficiles à caractériser in situ (en particulier, dans le cas du circuit primaire des centrales REP). La dynamique moléculaire basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité apporte des éléments de compréhension sur l'évolution des structures d'équilibre en prenant en compte explicitement la solvatation et les effets de la température sur les mécanismes d'interaction. Dans un premier temps, le comportement de l'ion uranyle en solution et à l'interface d'un système modèle eau / TiO2 à température ambiante a été simulé et validé par la confrontation avec des résultats expérimentaux et des calculs de DFT statiques. Dans un deuxième temps, cette approche a été employée sur ce même système, à des fins prédictives, pour étudier l'effet d'une élévation de la température. La rétention de l'ion augmente avec la température en accord avec les données expérimentales obtenues sur d'autres systèmes, et conduit également à une modification du complexe de surface. Dans un troisième temps, une étude similaire a été effectuée à l'interface eau / NiO, produit de corrosion présent dans le circuit primaire des centrales nucléaires, pour lequel peu de données expérimentales sont disponible actuellement.

Les travaux présentés dans ce mémoire se situent dans le cadre général de la recherche de nouveaux médicaments par le biais de techniques informatiques. La première partie de ce document est centrée autour du développement de la plateforme logicielle VSM-G (Virtual Screening Manager for Grids). Le but poursuivi par ce projet est de fournir un outil convivial et simple d'utilisation afin de conduire des études de criblage virtuel à haut-débit. Le coeur de VSM-G repose sur une stratégie multi-étapes de filtres successifs permettant le traitement efficace de chimiothèques de grande taille. Deux filtres ont été utilisés pour ce travail et implémentés dans VSM-G : un programme innovant d'estimation rapide de complémentarité géométrique entre molécules-candidates et site actif (SHEF) précéde un algorithme de docking flexible plus conventionnel (GOLD). Les avantages de cette méthodologie, associée à la prise en charge de multiples conformations de la cible étudiée (le récepteur nucléaire LXRβ), sont présentés tout d'abord par une étude de preuve de concept, puis à travers une campagne de criblage virtuel à grande échelle. L'autre partie de ces travaux, exclusivement applicative, concerne l'étude du domaine FAT de la kinase d'adhérence focale FAK. FAK est une cible d'intérêt pharmaceutique particulièrement intéressante, car clairement impliquée dans divers processus de développement cancéreux. Le but de cette étude est double : il s'agit tout d'abord de mieux comprendre le mode de fonctionnement du domaine FAT de FAK à travers une étude biophysique pour en évaluer la flexibilité ; et ensuite concevoir in silico des petites molécules peptidomimétiques permettant de moduler son activité, ce qui pourrait limiter une progression tumorale.

La spectroscopie de dissociation par absorption de multiples photons infrarouge ou IRMPD permet d'obtenir les signatures vibrationnelles d'espèces chargées en phase gazeuse. L'attribution des modes de vibration pour établir une relation entre spectre et structure moléculaire n'est cependant pas triviale et nécessite le recours à la modélisation moléculaire. Ce mémoire présente une méthodologie complète de calcul de spectres vibrationnels et son application à des peptides attachés à un cation sodium. Nous commençons par l'exploration efficace de l'espace conformationnel complexe de ces systèmes, en utilisant la dynamique moléculaire par échange de répliques, pour sélectionner les structures les plus probables. Nous avons utilisé le champ de force polarisable AMOEBA pour traiter les systèmes cation-peptide, et (ré)optimisé des paramètres en fonction des problèmes abordés, notamment pour améliorer le calcul de spectres vibrationnels de composés modèles. La simulation spectrale pour les structures sélectionnées a été effectuée avec des méthodes quantiques DFT et MP2, après avoir évalué les performances d'une série de fonctionnelles, incluant ou non une correction pour les interactions de dispersion. Nous présentons finalement la transformation de Fourier de la fonction d'auto-corrélation du moment dipolaire (DACF) calculée pour une trajectoire de dynamique moléculaire classique, comme moyen de simulation de spectre infrarouge incluant les effets de température et les couplages anharmoniques nécessaires à une réelle comparaison avec l'expérience. La pertinence de la combinaison DACF/AMOEBA pour reproduire les spectres IRMPD est discutée. Cet ensemble de méthodes a été appliqué à la structure, à l'énergétique et à la spectroscopie infrarouge de poly-glycines contenant de deux à huit résidus, attachées à un cation sodium. Les spectres calculés pour les structures de plus basses énergies permettent l'attribution des bandes expérimentales, et ainsi d'établir les structures de ces complexes. L'enroulement du peptide autour de l'ion sodium est réalisé via les atomes d'oxygène des groupes amides. Lorsque la coordination de l'ion est saturée, la structuration du peptide est complétée par des coudes.

La virulence de la bactérie Gram+ Bacillus anthracis, responsable de la maladie du charbon, est due à la présence d'une capsule et deux toxines. Chaque toxine résulte de l'assemblage de l'antigène protecteur (PA) avec l'un des deux facteurs, létal (LF) ou oedémateux (EF), dans le cytoplasme de la cellule hôte. EF est une adénylyl cyclase, qui transforme l'ATP en AMPc de manière incontrôlée, provoquant des dérèglements cellulaires. Elle est activée par la calmoduline (CaM), impliquée dans de nombreuses voies de signalisation du calcium. Des structures cristallographiques et une étude par RMN ont montré que la stabilité du complexe EF-CaM dépend du niveau de calcium fixé à CAM. Des simulations de dynamique moléculaire du complexe, avec 0, 2 ou 4 ions calcium, ont permis de caractériser l'effet du calcium sur la plasticité conformationnelle des deux partenaires et de proposer un modèle de l'interaction EF-CaM. L'analyse conjointe des corrélations dynamiques et des influences énergétiques a fait émerger le concept de connexité du réseau de résidus comme critère de stabilité. La large transition conformationnelle induite chez EF par la fixation de CaM a été décrite, grâce à la détermination d'un chemin de réaction plausible, par modélisation moléculaire. Les conformations intermédiaires obtenues ont servi à guider la recherche rationnelle d'inhibiteurs de la toxine EF, dans le cadre d'une approche combinant méthodes computationnelles et expérimentales. Une stratégie innovante, impliquant le criblage virtuel d'une poche allostérique plutôt que du site catalytique de l'enzyme, a identifié six molécules actives, inhibant totalement l'activité de EF à des concentrations de 10-100 microM.

The dynamics wetting of fiber is of crucial importance in the fields, such as composites, optical fiber or textile industries. It is therefore valuable to acquire a clear understanding of the fundamental physical mechanisms which govern this phenomenon. In the case of partial wetting, it is assumed that the loss of energy due to the change in shape of the liquid-fluid interface (surface tension) is balanced by two channels of dissipation. One is associated with the viscosity of the liquid (hydrodynamics), whereas the other is due to the friction between the liquid and the solid (molecular-kinetic theory). Translated into equations, this original approach leads to the conclusion that the friction regime should precede the hydrodynamic one for a low viscosity liquid. The crossover time between the two regimes is calculated and shown to be material dependent. To validate these theoretical predictions, both experiments and large scale molecular dynamics simulations of the spontaneous spreading of a liquid along a fiber are run. The experiments consist in capturing images of meniscus formation around the fiber via a high speed camera. For each image, the liquid-air profile is extracted and fitted to a solution of the Laplace equation yielding the contact angle and the height of the meniscus as a function of the time. For low viscosity liquid it is found that the measured dynamic contact angle follows the friction regime, whereas for higher viscosity liquid the viscous regime is recovered as presented theoretically. The same kind of procedure is followed to study the wetting of a nanofiber by molecular dynamics. The properties of the liquid are first assessed (viscosity, shape of the molecule, molecular volume). Because of the very low viscosity of the model liquid, it is expected that the friction between the liquid and the solid is the dominant channel. Indeed, the data from the simulation validates this assumption. Moreover, according to the results of the simulation, it is also confirmed that for a given equilibrium contact angle, a maximum of speed wetting occurs. Actually, a low (or high) equilibrium contact angle involves both a strong (or weak) driving force and adhesion of the liquid molecules to the solid atoms. These opposite effects do not simply cancel out and therefore lead to the existence of a maximum rate at which a liquid can wet a solid. To examine in detail this last statement, the forced wetting of fiber is studied by molecular dynamics. The fiber, at a constant velocity, goes through the meniscus of a liquid which is consequently elongated. Stationary receding and advancing contact angles are then measured as a function of the fiber velocity. It is found that the contact angle dependence on the fiber velocity follows the molecular-kinetic theory, thereby confirming the existence of a maximum. Moreover, a comparison between the values of the microscopic parameters obtained via the adjustement of the theory and a direct measurement of these parameters permits us to check the validity of the chosen theory as well as the reliability of the simulation tool. Finally in order to study the wetting of fibrous materials like fabrics, an effective system is studied via molecular dynamics. It is shown that the measurements of capillary imbibition and droplet spreading are well modelled by a set of equations taking into account the conservation of the volume of the liquid, the influence of a dynamic contact angle inside the pore and the spreading on top of the surface. This single pore geometry is extended theoretically to the case of multiple non-interconnected pores. The time required to absorb the droplet completely is then calculated.

Un ensemble de méthodes complémentaires, macroscopiques (réacteur à flux continu, observation in situ) et microscopique (dynamique moléculaire) sont mises en oeuvre pour étudier les principaux mécanismes de l'inhibition de la dissolution de l'hydroxylapatite (Ca5(PO4)3OH) par des cations adsorbés tels que le Zinc. A l'échelle microscopique, nous avons étudié l'organisation de molécules d'eau et des ions zinc proches de la surface de l'apatite (001). Les ions zinc sont initialement présents dans la couche diffuse de l'interface eau/apatite. Une mise en commun de la sphère d'hydratation du zinc en solution et du calcium appartenant à la surface de l' apatite est observée qui pourrait être l'amorce d'un échange cationique. Les ions zinc sont principalement proches des sites phosphate. Les atomes d'oxygène de phosphate peuvent se substituer aux molécules d'hydratation du zinc d'où formation d'un complexe de sphère interne. Ces résultats portant sur les premières étapes de la sorption ont été confirmés par l'étude cinétique macroscopique au laboratoire. Les échanges cationiques entre le calcium et le zinc ne sont visibles qu'au début des expériences (premières 2 heures) menées avec de fortes concentrations en zinc (0.2 mmol Zn -1 d'apatite). Le site phosphate est le groupe fonctionnel principal de complexation du zinc (log K = 1.25). Ces résultats obtenus à l' aide d'un modèle de complexation de surface, confrontés aux cinétiques de dissolution, permettent de montrer que la sorption du zinc bloque les sites de dissolution. Comme application à ce travail, nous avons étudié Ia préservation de l'apatite (qui est le composé minéral principal des os) sur une échelle de temps de 5000 ans dans un site archéologique lacustre. Cette conservation est due à différents phénomènes diminuant la solubilité ou bloquant la dissolution: une recristallisation de l'apatite augmentant la taille des cristaux, un enrichissement d'ions et un milieu sédimentaire anoxique favorable, formé de calcite.

La structure et la dynamique de modèles de verres à base de silice ont été étudiées à l'échelle microscopique par la méthode de la dynamique moléculaire. Pour ce faire, quatre modèles de potentiel effectif ont été testés dans les modélisations des caractéristiques structurales et des spectres vibrationnels de trois polymorphes cristallins de silice : quartz a, cristobalite a et faujasite. Alors que la structure des solides est bien décrite par les quatre modèles de champ de force, le champ de force de valence généralisé donne un meilleur accord pour les spectres vibrationnels de ces systèmes.<br />La dynamique de sous-structures dans la silice amorphe a été analysé en calculant le spectre de la coordonnée de respiration des anneaux à trois (3R) et quatre (4R) tétraèdres SiO₄ et de la manifestation spectrale de cette vibration dans le spectre Raman des verres modèles. Les résultats de modélisations montrent que le pic caract´éristique D2 à 625 cm^-1 dans le spectre peut être attribué au mouvement de respiration des anneaux 3R tandis qu'une telle attribution du pic D1 à 496 cm^-1 à la respiration des anneaux 4R est ambiguë.<br />L'étude de verres de silice dopés par les ions Er³⁺ indique la formation d'amas des ions de terre rare déjà à faible concentration. L'augmentation du taux de dopage entraine la formation d'amas d'ions liés par double ponts Er-O-Er et ces amas peuvent être considérés comme des précurseurs de la formation d'une phase Er₂O₃. L'analyse de la structure des verres montre l'accroissement important du nombre des anneaux 3R et 4R suite à la formation d'anneaux de compositions mixtes. A cause de la différence de la masse d'Er et Si et des constantes de force de liaisons, la dynamique des liaisons Er-O est découplée de celle de la matrice silicique. Ceci se manifeste par l'augmentation de l'intensité à basses fréquences dans la densité d'états vibrationnels des verres dopés.