Les performances des piles à combustible à échange de protons (PEMFC) sont fortement influencées par la conductivité protonique de l'électrolyte solide. Les polymères à base d'azole sont parmi les matériaux les plus prometteurs pour améliorer l'efficacité de ces systèmes. Une étude théorique de réaction du transfert de protons (PT) en dimères protonée du imidazole, 1,2,3-triazole et tétrazole a été effectuée. Le protocole DFT mis au point a été appliqué sur des systèmes plus complexes. Les résultats obtenus à partir de l'étude réalisée sur le poly(4-vinyl-imidazole) (P4VI) suggèrent que le mécanisme de conduction communément admis (Grotthuss) pourrait être entravé dans ce système en raison de l'effet de la matrice polymérique. Cette étude, réalisée par le biais d'une approche combinée théorie du fonctionnelle de la densité (DFT) / simulations de Dynamique Moléculaire (MD), a permis de proposer un mécanisme alternatif de conduction. Une étude supplémentaire réalisée sur des modèles avec du acide phosphorique (H3PO4) a révélé que faibles concentrations de H3PO4 pourrait permettre le mécanisme de Grotthuss malgré la matrice polymérique. Le rôle crucial joué par la matrice polymérique sur la conductivité a été ensuite confirmée par l'étude menée sur un second polymère : la position d'attache du imidazole peut fortement affecter le mécanisme de conduction. En bref, les simulations obtenus montrent comment la matrice polymérique jouent un rôle crucial dans le mécanisme de la conductivité. La présente recherche représente une première tentative pour une étude plus systématique de la relation entre la connectivité de la matrice polymère et l'efficacité du transport de charge

Ce travail présente quelques contributions mathématiques et numériques à la modélisation des fluides à l'échelle nanométrique. On considère deux niveaux de modélisation. Au premier niveau,une description atomique est adoptée. On s'intéresse aux méthodes permettant de calculer la viscosité de cisaillement d'un fluide à partir de cette description microscopique. On étudie en particulier les propriétés mathématiques de la dynamique de Langevin hors d'équilibre permet-tant de calculer la viscosité. Le deuxième niveau de description se situe à l'échelle du continu et l'on considère une classe de modèles pour les électrolytes à l'équilibre incorporant d'une part la présence d'un confinement avec des parois chargées et d'autre part des effets de non-idéalité dus aux corrélations électrostatiques entre les ions et au phénomène d'exclusion stérique. Dans un premier temps, on étudie mathématiquement le problème de minimisation de l'énergie libre dans le cas où celle ci reste convexe (non-idéalité modérée). Puis, on considère le cas non convexe (forte non-idéalité) conduisant à une séparation de phase

Ce mémoire traite de la dynamique des molécules envisageant une description classique pour les noyaux et quantique pour la structure électronique. Les approches "Born-Oppenheimer" et "Car-Parrinello" sont discutées et un nouvel algorithme est présenté puis validé de par la bonne conservation de l'énergie totale au cours du temps. Il est ensuiote étendu pour simuler l'ensemble canonique et appliqué à la détermination de caractéristiques spectroscopiques de systèmes moléculaires. L'estimation de quantités, telle l'énergie libre, est considérée à l'aide de la théorie de l'ensemble "blue-moon". Cette méthode est appliquée à deux réactions chimiques, mettant en évidence la mise en défaut de l'approche traditionnelle basée sur l'approximation harmonique. Enfin, l'estimation de l'énergie de point zéro au delà de cette approximation est abordée.

Cette thèse aborde l'étude des propriétés thermodynamiques de la matière nucléaire portée à températures et densités où l'on s'attend à observer la transition de phase liquide-gaz nucléaire. Les photons durs (E_gamma > 30 MeV) émis dans des collisions noyau-noyau sont utilisés comme sonde expérimentale. La production des photons et particules chargées dans quatre réactions d'ions lourds différentes (36Ar+197Au, 107Ag, 58Ni, 12C à 60 A MeV) a été mesurée de façon exclusive et inclusive en couplant le spectromètre de photons TAPS avec deux autres détecteurs de particules légères et de fragments de masse intermédiaire couvrant quasiment la totalité de l'angle solide.<br /><br />Nos résultats confirment l'origine dominante des photons durs comme étant due au rayonnement de freinage émis dans les collisions proton-neutron (pn gamma) de première chance (hors équilibre). Nous établissons aussi de façon définitive l'existence d'une composante de radiation thermique dans le spectre photon mesuré dans les sytèmes lourds, et attribuons son origine au rayonnement de freinage émis dans les collisions p-n de deuxième-chance. <br /><br />Nous exploitons cette observation pour i) démontrer que la matière nucléaire atteint un équilibre thermique lors de la réaction, ii) valider un nouveau thermomètre basé sur les photons du rayonnement de freinage, iii) déduire les propriétés thermodynamiques de la matière nucléaire chaude (en particulier, pour établir la "courbe calorique") et iv) évaluer les échelles de temps du processus de fragmentation nucléaire.

Dans cette thèse, nous présentons des résultats de simulations de dynamique moléculaire (MD) explicites dans les conditions ambiantes de micelles inverses (MI) d'AOT et de C12E4 en fonction du rapport molaire Wo=[H2O]/[détergent] qui caractérise la dimension des MI et leur contenu en eau. Le rapport des MI était 2 ≤ Wo ≤7. Nous avons étudié les changements de structure et les compressibilités des micelles inverses avec Wo. Lorsque le rapport Wo<7 des MI, l'eau confinée hydrate préférentiellement les têtes des AOT. L'influence de cette hydratation a été examinée avec un alanine peptide en hélice-Α (A8) confiné dans 2 MI de rapport Wo=4.78 et 6.79. Dans la plus petite MI, l'hydratation préférentielle des têtes d'AOT favorise la stabilité de la structure IIaire imposée du peptide et cette conformation est perdue dans la MI plus grande. Enfin, la structure de 2 MI C12E4 avec Wo=3 avec 2 conformations possibles pour les têtes a été étudiée. Les résultats des MD obtenus ont permis de proposer une modèle pour ces MI.

Les propriétés microscopiques des plasmas chauds et denses --- plasmas couplés --- constituent un domaine d'étude essentiellement exploré par les théories de physique classique telles que le plasma à une composante, théorie basée sur un certain nombre de paramètres ajustables, en particulier l'ionisation.<br /><br />Nous nous proposons, dans ce travail de thèse, d'aborder cette thématique par une approche sans paramètre basée sur le couplage cohérent de la dynamique moléculaire classique des noyaux et de la théorie de la fonctionnelle de la densité sans orbitale pour les électrons. La composante électronique est ainsi représentée par une énergie libre semi-classique dont la seule variable pertinente est la densité locale.<br /><br />Ce modèle a été validé par comparaison avec une méthode ab initio, la dynamique moléculaire quantique, qui décrit également le fluide électronique par une énergie libre mais exprimée au moyen d'une théorie quantique de particules indépendantes. Suite à cette validation, la dynamique moléculaire sans orbitale a été mise à profit pour évaluer l'équation d'état, à l'équilibre thermodynamique, de plasmas de bore et de fer à très haute température et densité. De plus, des comparaisons avec les modèles classiques ont été entreprises sur les propriétés structurales et dynamiques. Enfin, les lois de mélange d'équations d'état ou de coefficient de transport ont été vérifiées par simulation directe d'un plasma constitué de deutérium et de cuivre.

Bien que le rôle actif des sucres soit connu dans la stabilisation des membranes cellulaires lors de fortes déshydratations, il s'avère que les processus à l'origine de cette protection ne sont pas encore bien compris. Néanmoins, la très grande affinité de l'eau pour le sucre, comme en témoigne la formation de très nombreuses liaisons hydrogène, est semble-t-il responsable en partie de cette propriété exceptionnelle. L'étude expérimentale de la dynamique des molécules de sucre et d'eau permettra ainsi de quantifier l'importance de ces interactions. <br /> Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés à des solutions de mono- et disaccharides (glucose, fructose et tréhalose). La diffusion quasi-élastique des neutrons a permis de mesurer, à l'échelle de la picoseconde, la dynamique de l'eau et du sucre en solution et sous confinement dans des matériaux poreux présentant un mimétisme d'échelle avec le vivant. Les deux matrices sélectionnées, c'est-à-dire un gel de silice aqueux et des nanosphères de silice mésoporeuse de type MCM-41, qui présentent des diamètres de pores de 18 et 3 nm respectivement, ont été caractérisées grâce à un large panel de techniques expérimentales (SANS, MET, MEB, Spectroscopie Raman, BET, DRX). L'effet du confinement sur la dynamique et sur les transitions de phase solide-liquide a ainsi pu être exploré, ainsi que l'effet protecteur des sucres grâce à une étude de déshydratation in-situ suivie par diffusion des neutrons aux petits angles.

Le comportement du carbure de silicium cubique sous irradiation a été étudié par modélisation classique et ab initio, en se concentrant sur les processus élémentaires intervenant à l'échelle anométrique. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à déterminer les énergies seuil de déplacement, des quantités difficiles à déterminer tant expérimentalement que théoriquement, ainsi que les paires de Frenkel associées. Dans le cadre de cette thèse, nous avons effectué des simulations en dynamique moléculaire classique et ab initio. Pour l'approche classique, deux<br />types de potentiels ont été utilisés : le potentiel de Tersoff, qui donne des résultats peu satisfaisants, et un nouveau potentiel développé dans le cadre de cette thèse. Ce potentiel permet une meilleure modélisation du SiC sous irradiation que la plupart des potentiels empiriques disponibles pour le SiC. Il est basé sur une fonction de type EDIP, initialement développée pour décrire les défauts dans le silicium, que nous avons généralisé au SiC. Pour l'approche ab initio, la faisabilité des calculs a été validée et des énergies moyennes de 19 eV pour C et 38 eV pour Si ont été déterminées, proches des valeurs empiriques utilisées dans la communauté scientifique. Les résultats obtenus avec le nouveau potentiel EDIP sont globalement en accord avec ces valeurs. Enfin, les processus élémentaires impliqués dans la guérison du cristal ont été étudiés en calculant la stabilité relative des paires de Frenkel formées et en déterminant des mécanismes de recombinaisons possibles par la méthode Nudged Elastic Band.

La perméabilité aux gaz et aux liquides des matériaux polymères est une propriété qui est mise à profit dans de nombreux domaines industriels. Cette thèse est effectuée dans l'optique de mieux appréhender la problématique de l'étanchéité des conduites flexibles par les polymères. Ainsi, les perméabilités de H2S, CO2 et CH4 dans le polyéthylène (PE) ont fait l'objet d'une étude effectuée dans le contexte de cette thèse. La perméabilité est une propriété qui résulte de la solubilisation des gaz dans le polymère puis de la diffusion de ces produits à travers la matière. La solubilité, qui caractérise l'aptitude d'un gaz à pouvoir s'absorber dans le polymère, est une propriété d'équilibre, qui pourra être étudiée par les techniques de Monte Carlo. La diffusion, qui caractérise l'aptitude d'un gaz à se mouvoir plus ou moins rapidement dans le réseau polymère, sera quant à elle, étudiée par dynamique moléculaire. Au dessous de la température de fusion, le polyéthylène est à l'état semi-cristallin. Cet état est composé de régions contenant des chaînes orientées aléatoirement (régions amorphes) et des régions contenant des chaînes orientées sur un réseau (régions cristallines). La morphologie complexe des polymères semi-cristallins présente des hétérogénéités de dimensions nanométriques, ce qui est difficilement accessible par la simulation moléculaire. A fin d'étudier la solubilité et la diffusion de gaz dans le polyéthylène semi-cristallin, nous modéliserons uniquement la phase amorphe au cours de ce travail. Par contre, l'effet des régions cristallines sur la phase amorphe sera pris en compte dans la simulation par une contrainte ad-hoc.

Les toxines de l’anthrax font partie de la famille des toxines A-B dans laquelle la moitié B se fixe à la membrane de la cellule permettant par la suite la translocation de la moitié A. Dans le cas de l’anthrax, la moitié B est représentée par le Protective Antigen (PA) et la moitié A par les deux protéines Edema Factor (EF) et Lethal Factor (LF). Après le recrutement par les récepteurs cellulaires (CMG2 et TEM8), PA s’organise en heptamère. Il peut fixer jusqu'à 3 ligands (EF et LF) avant d'être endocyté. Les modèles actuels de PA suggèrent que la baisse de pH à l’intérieur des endosomes permet un changement de conformation de la forme pré-pore vers la forme pore et que les ligands EF et LF passeraient au travers le pore pour entrer dans le cytoplasme. Cependant, le diamètre du pore est environ dix fois inférieur à celui des ligands (10 Å contre 100 Å). Un processus de folding/unfolding a été proposé mais demeure controversé. Afin d'identifier le processus de passage des facteurs EF et LF dans le cytoplasme, nous avons déterminé par cryo-microscopie électronique combinée avec l’analyse d’image les structures tridimensionnelles des complexes formés par PA et LF aux étapes prépore et pore. Par la suite, une étude complémentaire par dynamique moléculaire nous a permis de modéliser à haute résolution les différentes interactions qui ont lieu au sein du complexe. La structure 3D du complexe prépore combiné à 3 LF a été déterminée à une résolution de 14 Å. Nous avons aussi calculé une structure préliminaire du complexe pore également combiné à 3 LF Celles-ci n’ont jamais été résolues auparavant et leur connaissance permet d’envisager l’étude en profondeur du mécanisme infectieux de l’Anthrax in vivo. / The anthrax toxins are part of the A-B toxin family in which the B moiety binds to the cell membrane allowing subsequent translocation of the A moiety. In the case of anthrax, the B moiety consists of the Protective Antigen (PA), and the A moiety is composed of the two proteins Edema Factor (EF) and the Lethal Factor (LF). After being recruited by the cell receptors (CGM2 or TEM8), PA organizes itself into a heptamer. It can bind up to three ligands (either EF or LF) before being endocytosed. Current models suggest that the decrease of pH inside the endosomes allows a conformational change of PA from a prepore form to a pore form that allows the EF and LF ligands to pass through the pore and enter the cytoplasm. However, the pore diameter is about ten times smaller than the diameter of the ligands (10Å versus 100Å). A process of ligand folding / unfolding has been proposed, but remains controversial. To identify the mechanism by which EF and LF enter the cytoplasm, we have used cryo-electron microscopy and three-dimensional image analysis to determine the 3D structure of the PA-LF complexes in the pre-pore and pore conformations. Then, we used molecular dynamics to modelise at high resolution the different interactions that occur within the complex. The 3D structure of the pre-pore complex bound with three LF ligands has been determined at 14Å resolution. We also calculated a preliminary structure of the LF-bound pore complex. These structures have never been reported before. They provide the necessary information to study in depth the mechanism of anthrax infection in vivo.