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.

Ce travail est consacré à l’étude de la coalescence de gouttelettes liquides à l’échelle du nanomètre. Nous nous sommes intéressés principalement à l’évolution du changement topologique des gouttelettes à partir de la rupture des surfaces au moment du contact initial jusqu’à la coalescence complète. Nous utilisons la dynamique moléculaire afin de simuler plusieurs types de gouttelettes soit en utilisant le potentiel empirique de type Stillinger-Weber pour des gouttelettes de silicium (l-Si) en 3 dimensions et le modèle Embedded Atom Method pour des gouttelettes de cuivre liquide (l-Cu) en 2d, quasi-2d (disques) et 3 dimensions. Qualitativement, toutes les simulations démontrent une coalescence similaire indépendamment de la dimension de calcul (2d à 3d), de la taille et de la température initiale des gouttelettes. La coalescence évolue par une déformation rapide des surfaces sans mixage important entre les atomes des deux gouttelettes initiales. De plus, nous étudions l’évolution du col de coalescence formé lors du contact initial entre les gouttelettes et, pour les systèmes en 3d, nous observons une transition claire d’un régime visqueux vers un régime inertiel du rayon de ce col, tel que suggéré par des modèles théoriques. Pour les gouttelettes de cuivre nous observons exactement le comportement des prédictions analytiques et confirmons que le premier régime suit un comportement visqueux sans aplatissement local des gouttelettes. La situation est différente pour les gouttelettes de l-Si où nous observons un effet plus grand, par rapport aux prédictions analytiques, du rayon et de la température initiale des gouttelettes sur l’évolution du col de coalescence. Nous suggérons que les paramètres décrivant l’évolution de la coalescence dépendent des propriétés des matériaux utilisés contrairement à la théorie universelle couramment utilisée. / In this work we studied the coalescence of liquid nanodroplets and more specifically the topological deformation from their rupture at the initial contact to the full coalescence. We used molecular dynamics to simulate various liquid droplets: 3 dimension liquid silicon (l-Si) droplets using the Stillinger-Weber potential as well as 2d, quasi-2d (discs) and 3d liquid copper (l-Cu) droplets using the Embedded Atom Model semi empirical potential. All simulations showed similar qualitative coalescence independently of initial size and temperature for 2d, quasi-2d and 3d systems: the topological deformation evolved quickly without any important mixing taking place between atoms from both droplets. Furthermore, we studied the evolution of the radius of the liquid bridge formed between the droplets and demonstrated that it is possible to observe, using molecular dynamics, a transition from a viscous to inertial regime of this bridge, as suggested by analytical models. Studying the l-Cu droplets, we observe exactly the analytical predicted behavior of the coalescence evolution and confirm that the initial regime follows a viscous driven mechanism without any local flattening of the droplets. The results are different with the l-Si droplets where we observe a greater effect, compared to analytical models, of the initial droplets radius and temperature on the bridge evolution. This suggests that the parameters describing the coalescence process are dependent of the properties of the materials used in the coalescence instead of the present universal accepted models.

La flexibilité est une caractéristique intrinsèque des protéines qui doivent, dès le mo- ment de leur synthèse, passer d’un état de chaîne linéaire à un état de structure tridimen- sionnelle repliée et enzymatiquement active. Certaines protéines restent flexibles une fois repliées et subissent des changements de conformation de grande amplitude lors de leur cycle enzymatique. D’autres contiennent des segments si flexibles que leur structure ne peut être résolue par des méthodes expérimentales. Dans cette thèse, nous présentons notre application de méthodes in silico d’analyse de la flexibilité des protéines : • À l’aide des méthodes de dynamique moléculaire dirigée et d’échantillonnage pa- rapluie, nous avons caractérisé les trajectoires de liaison de l’inhibiteur Z-pro- prolinal à la protéine Prolyl oligopeptidase et identifié la trajectoire la plus pro- bable. Nos simulations ont aussi identifié un mode probable de recrutement des ligands utilisant une boucle flexible de 19 acides aminés à l’interface des deux domaines de la protéine. • En utilisant les méthodes de dynamique moléculaire traditionnelle et dirigée, nous avons examiné la stabilité de la protéine SAV1866 dans sa forme fermée insérée dans une membrane lipidique et étudié un des modes d’ouverture possibles par la séparation de ses domaines liant le nucléotide. • Nous avons adapté auproblème de la prédiction de la structure des longues boucles flexibles la méthode d’activation et de relaxation ART-nouveau précédemment uti- lisée dans l’étude du repliement et de l’agrégation de protéines. Appliqué au replie- ment de boucles de 8 à 20 acides aminés, la méthode démontre une dépendance quadratique du temps d’exécution sur la longueur des boucles, rendant possible l’étude de boucles encore plus longues. / Flexibility is an intrinsic characteristic of proteins who from the moment of synthesis into a linear chain of amino acids, have to adopt an enzymatically active tridimensionnel structure. Some proteins stay flexible once folded and display large amplitude confor- mational changes during their enzymatic cycles. Others contain parts that are so flexible that their structure can’t be resolved using experimental methods. In this thesis, we present our application of in silico methods to the study of protein flexibility. • Using steered molecular dynamics and umbrella sampling, we characterized the binding trajectories of the Z-pro-prolinal inhibiter to the Prolyl oligopeptidase pro- tein and we identified the most probable trajectory. Our simulations also found a possible ligand recrutement mechanism that involves a 19 amino acids flexible loop at the interface of the two domains of the protein. • Using traditional and steered molecular dynamics, we examined the stability of the SAV1866 protein in its closed conformation in a lipid membrane and we studied one of its proposed opening modes by separating its nucleotide binding domains. • We also adapted the activation-relaxation technique ART-nouveau which was pre- viously used to study protein folding and aggregation to the problem of structure prediction of large flexible loops. When tested on loops of 8 to 20 amino acids, the method demonstrate a quadratic execution time dependance on the loop length, which makes it possible to use the method on even larger loops.

Ce travail de thèse aborde le problème de la gravure de matériaux ultraminces pour la réalisation de nouvelles générations de transistors (FDSOI, FinFET) dans les dispositifs nanoélectroniques avancés. Ces transistors doivent être gravés avec une précision nanométrique pour ne pas endommager les propriétés électroniques des couches actives. Afin d'atteindre une telle précision, les dommages surfaciques et l'épaisseur des couches réactives formées lors de l'exposition plasma doivent être maintenus en-deçà du nanomètre, véritable défi auquel les plasmas ICP continus ne sont plus à même de répondre. Pour assister le développement de nouveaux procédés de gravure, des simulations de dynamique moléculaire ont été développées afin étudier l'influence de nouvelles technologies plasma (plasmas pulsés, plasma basse Te, gaz pulsés) sur les interactions entre silicium et plasmas chlorés. Les simulations montrent que l'énergie ionique (Eion) est le paramètre numéro un pour contrôler la gravure de couches de Si ultraminces, une diminution de l'énergie réduisant à la fois l'épaisseur de couche endommagée SiClx et le taux de gravure. Le rapport du flux de neutres sur flux d'ions (Γ) est le 2nd paramètre clé : son augmentation entraîne une diminution sensible l'épaisseur de couche perturbée tout en augmentant le taux de gravure. Quantitativement, cette étude montre que des plasmas caractérisés par de faibles énergies ioniques (< 15 eV) ou des rapports Γ importants (⩾ 1000) permettre d'obtenir des couches réactives d'épaisseur sub-nanométrique (cf. plasmas basse Te ou synchronisés pulsés). En mode "bias pulsé", les simulations montrent que pour une valeur Vbias donnée, pulser le bias permet de diminuer à la fois l'épaisseur de couche réactive et le taux de gravure. Cet effet est d'autant plus marqué que le rapport de cycle DC est faible, ce qui élargit la fenêtre des paramètres opératoires. Pour contrôler la gravure, une autre solution pourrait consister à contrôler l'épaisseur des couches réactives de manière dynamique. Inspiré de l'ALE (Atomic Layer Etching), ce nouveau concept consiste à pulser rapidement et alternativement différents gaz pour décomposer le procédé de gravure en cycles répétitifs de deux étapes plasma distinctes. La 1ère étape vise à limiter la formation de la couche mixte à 1nm d'épaisseur dans un plasma réactif (Cl2) en optimisant le temps d'injection du gaz; la 2nde étape vise à graver la couche ainsi formée dans un plasma de gaz rare (Ar, Xe) sans endommager le matériau sous-jacent. Nos simulations confirment la faisabilité et la répétabilité d'un tel concept. / This thesis focuses on technological challenges associated with the etching of ultrathin materials used for new generations of transistors (FDSOI, FinFET) in advanced nanoelectronics devices. These transistors must be etched with a nanometric precision in order to preserve the electronic properties of active layers. To reach such a precision, plasma-induced damage and reactive layers thicknesses formed during the etch must remain below 1nm, a challenge which cannot be addressed by continuous-waves ICP plasmas. To assist the development of new etching processes, molecular dynamics simulations have been developed to study the influence of new plasma technologies (pulsed plasmas, low-Te plasmas, gaz pulsing) on interactions between silicon and chlorine plasmas. Simulations show that the key parameter to control the etching of ultrathin Si layers is the ion energy (Eion), which lowers both the SiClx damaged layer thickness and the etch rate when it is decreased. The neutral-to-ion flux ratio (Γ) is the second key parameter: its increase strongly reduces the reactive layer thickness while the etch rate grows. Quantitatively, this study shows that plasmas with low ion energies (< 15 eV) and high Γ ratios (⩾ 1000) allow to obtain sub-nanometer thick reactive layers (cf. low-Te or synchronized pulsed plasmas). In « pulsed bias » mode, simulations show that for a given Vbias value, pulsing the bias decreases both the reactive layer thickness and the etch rate. This effect is stronger at low duty cycle DC, which can improve the control of the etching process. To control the etching of ultrathin films, another solution may be to control dynamically the reactive layers formation. Inspired from ALE (Atomic Layer Etching) principle, this new concept consists in pulsing quickly and alternatively several gases to divide the etching process into repetitive cycles of two distinct plasma steps. The first step aims to limit the mixed layer formation at 1nm in a reactive (Cl2) plasma by optimizing the gas injection time; the 2nd step aims to remove the so-formed layer in a noble gas plasma (Ar, Xe) without damaging the material below. Our simulations confirm the feasibility and the repeatability of such a concept.

Les processus d'oxydo-réduction impliquant des molécules organiques se retrouvent très fréquemment dans les protéines. Ces réactions comprennent généralement des transferts d'électrons et de protons qui se traduisent dans le bilan réactionnel par des transferts couplés proton-électron, des transferts simples d'hydrogène, d'hydrure... Une des principales méthodes pour élucider ces mécanismes est fournie par l'évaluation de grandeurs thermodynamiques et cinétiques. Expérimentalement, ces informations sont cependant obtenues avec une résolution temporelle souvent limitée à la milli/microseconde. Les simulations numériques présentées ici complètent, à des échelles de temps plus courtes (femto, pico, nanosecondes), ces données expérimentales. Il existe de nombreuses méthodes de simulations dédiées à l'étude de mécanismes redox dans les protéines combinant la description quantique des réactifs (QM) nécessaire à l'étude des changements d'états électroniques et la description classique de l'environnement (MM), l'échantillonnage de conformations se faisant grâce à des simulations de dynamique moléculaire (MD). Ces méthodes diffèrent par la qualité de la description du mécanisme réactionnel et le coût en temps de calcul. L'objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes de différents processus impliquant des transferts de protons et d'électrons en recherchant à chaque fois les outils adaptés. Elle comporte trois parties : i) l'évaluation de potentiels redox de cofacteurs quinones ; ii) la description du mécanisme d'oxydation du L-lactate dans l'enzyme flavocytochrome b2 ; iii) la décomposition d'un transfert formel d'hydrure entre deux flavines au sein de la protéine EmoB. Dans le cas du calcul des potentiels redox, nous utilisons une méthode notée QM+MM où la description électronique se fait en phase gaz au niveau DFT tandis que les simulations de MD s'effectuent classiquement. Nous appliquons l'approximation de réponse linéaire (ARL) pour décrire la réponse du système aux étapes de changement d'état de protonation ou d'oxydation de la fonction quinone ce qui aboutit au calcul du potentiel redox théorique. Nous avons ainsi pu établir une courbe de calibration des résultats théoriques en fonction des données expérimentales, confirmant la validité de l'ARL pour les cofacteurs quinones dans l'eau. La méthode a été étendue à la protéine MADH mais les limites de l'ARL ont été atteintes du fait des fluctuations importantes de l'environnement. L'étude de l'oxydation du L-lactate en pyruvate repose sur le calcul de surfaces d'énergie libre au niveau AM1/MM. Ces surfaces sont obtenues à l'aide de simulations de MD biaisées puis corrigées à l'aide de calculs d'énergies DFT. Différents chemins de réactions impliquant les transferts d'un proton et d'un hydrure du substrat vers une histidine et une flavine respectivement ont pu être identifiés. Ces transferts peuvent être séquentiels ou concertés suivant la conformation du site actif ou les mutations effectuées. Les surfaces concordent avec les effets observés expérimentalement. Les barrières obtenues restent cependant supérieures à celles attendues ouvrant la voie à d'autres simulations. La décomposition du mécanisme de transfert d'hydrure en transfert d'électron et d'atome d'hydrogène s'appuie sur de longues simulations classiques et des calculs d'énergies au niveau DFT contrainte (cDFT)/MM. La DFT contrainte permet de décrire les états diabatiques associés au transfert d'électron à différents stades du transfert d'hydrogène. En appliquant l'ARL, nous pouvons construire des paraboles correspondant aux états diabatiques et déterminer la séquence des évènements de transfert d'électron et d'hydrogène. La comparaison entre milieux protéique et aqueux nous a permis d'établir que le rôle de la protéine dans le transfert d'hydrure global est de bloquer le transfert d'électron en l'absence du transfert d'hydrogène empêchant ainsi la formation de flavines semi-réduites.

Les propriétés magnétiques des matériaux sont fortement connectées à leur structure cristallographique. Nous proposons un modèle atomique de la dynamique d'aimantation capable de rendre compte de cette magnétoélasticité. Bien que ce travail s'inscrive dans une thématique générale de l'étude des matériaux magnétiques en température, nous la particularisons à un seul élément, le Cobalt. Dans ce modèle effectif, les atomes sont décrits par 3 vecteurs classiques qui sont position, impulsion et spin. Ils interagissent entre eux via un potentiel magnéto-mécanique ad hoc. On s'intéresse tout d'abord à la dynamique de spin atomique. Cette méthode permet d'aborder simplement l'écriture des équations d'évolution d'un système atomique de spins dans lequel la position et l'impulsion des atomes sont gelées. Il est toutefois possible de définir une température de spin permettant de développer naturellement une connexion avec un bain thermique. Montrant les limites d'une approche stochastique, nous développons une nouvelle formulation déterministe du contrôle de la température d'un système à spins.Dans un second temps, nous développons et analysons les intégrateurs géométriques nécessaires au couplage temporel de la dynamique moléculaire avec cette dynamique de spin atomique. La liaison des spins avec le réseau est assurée par un potentiel magnétique dépendant des positions des atomes. La nouveauté de ce potentiel réside dans la manière de paramétrer l'anisotropie magnétique qui est la manifestation d'un couplage spin-orbite. L'écriture d'un modèle de paires étendu de l'anisotropie permet de restituer les constantes de magnétostriction expérimentales du hcp-Co. En considérant un système canonique, où pression et température sont contrôlées, nous avons mis en évidence la transition de retournement de spin si particulière au Co vers 695K.Nous finissons par l'étude des retournements d'aimantation super-paramagnétiques de nanoplots de Co permettant de comparer ce couplage spin-réseau aux mesures récentes.