Ce travail a pour but d’améliorer la description structurale du verre de TeO2 pur et d’étudier en profondeur la structure de la phase désordonnée δ-TeO2 au moyen de la dynamique moléculaire (DM). Nous avons établi des potentiels interatomiques (IAP), simples mais non triviaux, prenant en compte la polarisabilité des atomes de tellure et d’oxygène à l'aide du modèle cœur-coquille. Nous avons démontré le rôle important de la paire libre électronique de l'atome de Te dans la formation d'unités asymétriques TeOx. Les IAPs précis reproduisent 17 structures cristallines à base de TeO2 et sont appropriés pour les simulations par DM des systèmes désordonnés. Les simulations des structures de la phase vitreuse pure et de δ-TeO2 ont été effectuées par DM. Il a été démontré que le verre de TeO2 est principalement constitué d'unités structurales TeO3 et TeO4, et un grand nombre d'atomes d’oxygène non-pontant (NBO) est observé. La coordinence des atomes de tellure est plus faible dans le verre que dans les structures cristallines pures.Dans la phase δ-TeO2, les atomes de tellure forment un réseau cristallin (CFC) bien défini et les atomes d'oxygène présentent un grand désordre de position. Cette phase est caractérisée par une population d’unités structurales, une coordinence des atomes de tellure et une proportion d'atomes d’oxygène non pontant typique du verre. Par conséquent, la structure δ-TeO2 est plus proche de celle du verre que des structures d'autres polymorphes cristallines de TeO2 pures. / This work aims to improve the structural description of the pure TeO2 glass and to give a deep insight into the structure of the disordered δ-TeO2 phase by means of molecular dynamics (MD) simulations.We derived simple but nontrivial interatomic potentials (IAPs), which take into account the polarisability of tellurium and oxygen atoms using the core-shell model. We demonstrated the important role of the electronic lone pair of the tellurium atoms in the formation of asymmetrical TeOx units. The accurate IAPs is able to reproduce 17 crystalline TeO2-based structures and are appropriate for MD simulations of disordered systems.The MD simulations of the pure glass and δ-TeO2 phase structures were carried out. It was demonstrated that the TeO2-glass consists of mainly TeO3 and TeO4 structural units and a large number of non-bridging oxygen (NBO) atoms is observed. The coordination number of the tellurium atoms in the glass is less than in the pure crystalline structures.In the δ-TeO2 phase, the tellurium atoms form a well-defined crystalline (FCC) lattice and the oxygen atoms exhibit a large positional disorder. This phase has a structural units distribution and a tellurium coordination number and a proportion of NBO atoms similar to those of the glass. Hence, the structure of δ-TeO2 is closer to that of glass than to the structures of other pure TeO2 crystalline polymorphs.

Pour des intérêts technologiques, la compréhension des mécanismes de déformation des nano-structures est essentielle afin d'éviter que la relaxation des contraintes ne génère des défauts aux conséquences parfois catastrophiques. De plus, dans les nano-objets semi-conducteurs, les expériences montrent une transition fragile-ductile qui dépend de la taille des systèmes : ils sont ductiles pour des dimensions inférieures à quelques centaines de nanomètres, fragiles au-delà. Nous avons abordé ce problème via des calculs de dynamique moléculaire pour simuler des tests de déformation de nano-fils, et nous avons choisi le silicium comme prototype de matériau semi-conducteur. Nous avons dans un premier temps analysé des grandeurs mesurables comme les coefficients d'élasticité et la limite d'élasticité en fonction de différents paramètres, et montré notamment que la limite d'élasticité diminue quand la hauteur du nano-fil augmente. L'analyse à l'échelle atomique des systèmes déformés nous a permis de décomposer le comportement global des nano-fils en mécanismes élémentaires ; nous avons ainsi montré que la nucléation d'une première dislocation est à l'origine de l'ensemble des comportements, ductiles et fragiles. Après cette nucléation initiale, le comportement global du nano-fil est déterminé par la compétition entre la nucléation d'autres dislocations et l'ouverture de cavités. Finalement, nous avons essayé d'estimer quantitativement les degrés de ductilité et de fragilité des nano-fils en analysant l'énergie relaxée pendant le régime plastique par ces deux mécanismes élémentaires, et de rationaliser ainsi le rôle de la taille du système sur la transition fragile-ductile. / For technological interest, the understanding of the deformation mechanisms at the nano-scale is essential in order to prevent stress relaxation mechanisms that could lead to defects formation and/or to catastrophic failure. Furthermore, recent experimental findings showed in semiconductor nano-objects, a size dependent brittle to ductile transition: they are ductile below a few hundreds of nanometers, brittle above that scale. To investigate this behavior, we have used molecular dynamics as a tool to simulate deformation tests of nanowires and we have used silicon as a prototypical semiconductor material. First we analyzed a number of measurable quantities such as the elasticity coefficients and the elasticity limit with respect to various parameters and we found that the elasticity limit decreases when the length of the nanowire increases. An analysis of the atomic structure of the deformed systems allowed us to decompose the overall mechanical behavior of the nanowires into elementary mechanisms; we thus showed that the nucleation of a first dislocation was systematically at the origin of ductility and brittleness. After the initial dislocation nucleation, the competition between further dislocation nucleation events and cavities opening, determine the overall mechanical behavior of the nanowire. Finally, we tried to estimate quantitatively the degree of ductility and brittleness of the nanowires by analyzing the amount of energy released by those two elementary mechanisms during the plastic regime and we rationalized the role of the size of the deformed systems on the brittle to ductile transition.

De nombreuses études révèlent que le domaine de liaison au ligand de RXRα est très dynamique, même en présence d'un ligand agoniste. Nous avons utilisé les données expérimentales (HDX, RMN et X-ray) disponibles sur ce domaine pour mettre en place un protocole, basé sur la dynamique moléculaire accélérée, permettant d'explorer efficacement la dynamique conformationnelle du domaine de liaison au ligand de RXRα et de valider les ensembles conformationnels obtenus. Ce protocole a été appliqué pour analyser l'influence de la phosphorylation pSer260, située à proximité de la surface d'interaction avec les protéines coactivatrice et impliquée dans le développement de carcinomes hépatocellulaires, sur la structure de ce domaine et sa dynamique. Parallèlement, une méthode de réduction de la dimensionnalité a été développé afin d'analyser de longues trajectoires de dynamique moléculaire. Ainsi grâce à cette méthode, nous avons pu identifier plusieurs nouvelles conformations alternative stables du domaine de liaison au ligand de RXRα. / Many studies reveal that the ligand binding domain of RXRα is very dynamic, still even in a presence of an agonist ligand. Therefore, the availability of experimental data (HDX, NMR and X-ray) on the domain was used as a leverage in order to set up a protocol, based on accelerated molecular dynamics, to explore its conformational dynamic and to validate it. This protocol was applied to understand the influence of the pSer260 phosphorylation, closed to the binding surface of coactivator proteins and implied in the hepatocellular carcinoma growth, on its structure and its dynamic. At the same time, a dimensional reduction method was developed to analyse long molecular dynamic trajectories. Thus, with this approach, we identified a couple of new alternative and stable conformations of the ligand binding domain of RXRα.

La thèse porte sur l’étude des 2 premières enzymes de la voie du MEP: la DXS et DXR. La voie du MEP conduit à la biosynthèse des isoprénoïdes chez la plupart des bactéries, dont des pathogènes. Etant absente chez l’homme, les enzymes de cette voie cible idéale pour la recherche de nouveaux antimicrobiens. L’objectif principal était d’améliorer le développement de nouveaux antimicrobiens. Nous avons utilisé des outils computationnels : méthodes de docking et de mécanique moléculaire couplée à la méthode MM/PBSA. Nous avons identifié les résidus contribuant significativement à la fixation d’un ligand dans le site actif de la DXR. Ces résultats ont été utilisés lors de la conception de nouveaux candidats inhibiteurs de type bisubstrat, biligand et difluoro phosphonate, dont 2 ont pu être synthétisés. Nous avons également développé une méthode de synthèse donnant accès au L- et D-GAP énantiomeriquement purs, dans le but d’étudier l’énantiospécificité de la DXS face à son substrat D-GAP. / This thesis concerns the study of the 2 first enzymes of the MEP pathway: DXS and DXR. The MEP pathway permits the biosynthesis of isoprénoïdes in most bacteria, including pathogenic one. As it is not present in human, enzymes of MEP pathway are effective targets in the research of new antimicrobial drugs. The objective was to advance the development of new antimicrobiotic compounds. We used computational tools: molecular docking and molecular dynamics simulations coupled with an MM/PBSA approach. We were able to identify residues that contribute significantly to the ligand binding in the DXR active site. These results were used to guide the conception of new inhibitor models, such as bisubstrates, biligands and α,α-difluoro phosphonates, two of which were synthetized. We also developed a synthesis method to obtain L- and D-GAP as enantiomerically pure molecules. The goal was to study the enantiospecificity of DXS to its substrate, D-GAP.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre des études théoriques dedispersions colloïdales, ou suspensions de particules dont la taille varie du nanomètre aumicromètre. Dans ces milieux, les interactions entre les particules peuvent être moduléesen jouant par exemple sur leur composition superficielle, de même qu'il est possible demodifier l'environnement des colloïdes comme le solvant, le confinement du mélange et/ouéventuellement un champ extérieur pour influer sur leurs propriétés thermodynamiques.La modélisation-simulation permet alors de tester sur ordinateurcertains jeux de paramètres pouvant produire le phénomène souhaité,avant son éventuelle réalisation expérimentale.Ce travail se concentre sur cette étape préliminaire en considérant un mélange desphères dures dipolaires et apolaires, placé dans milieu confiné etsoumis à un champ électrique (magnétique pour des ferrocolloïdes).Dans une première étape, nous nous intéressons aux états d'équilibres du mélange,en étudiant par simulations Monte-Carlo un mélange symétrique en composition,non-additif et confiné entre deux murs éloignés.En comparant les résultats pour différentes densités et directions du champ extérieur,nous retrouvons certaines propriétés déjà observées pour des systèmes similaires.Nous commençons par la situation de référence sans champ où à faible densité,le mélange est monophasique et l'espèce dipolaire fuit les murs.L'augmentation de la densité favorise alors la séparation de phase et dans la phase richeen dipôles, l'espèce dipolaire mouille les murs.L'application d'un champ perpendiculaire aux murs favorise la stabilité du mélange malgrésa densité élevée et la non-additivité entre les deux espèces.En faisant croître ce champ, nous observons une structuration de l'espèce dipolaire,notamment près des murs ainsi que la formation de <<colonnes>> de dipôles dansla direction du champ.Enfin un champ parallèle aux murs provoque la démixtion du mélange dèsla plus faible densité considérée. Les dipôles fuient à nouveau les murs etnous observons de longues chaînes intriquées de dipôles.Dans une seconde étape, nous nous intéressons à la dynamique d'un mélange asymétrique encomposition et soumis à un champ. Nous combinons dans cette étudedes simulations Monte-Carlo et de dynamique moléculaire (Langevin).Le mélange est placé dans une boîte présentant un goulot d'étranglement afinde simuler un pore ouvert en contact avec un réservoir de particules,à travers une interface explicite. Le champ, perpendiculaire aux murs, sera appliquéau niveau du goulot d'étranglement afin d'y attirer les dipôles.Nous considérons d'abord un mélange peu dense afin que le cycle remplissage / vidagedu milieu confiné soit réversible. Dans le but d'accélérer ces cycles,l'intensité du champ est progressivement augmentée.Le remplissage en dipôles est effectivement plus rapide mais sa composition satureprématurément.Nous lançons ensuite une série de cycles avec des coefficients de frottement deLangevin croissants mais relativement petits afin de limiterla durée des simulations. Nous notons alors que les temps de remplissage oude vidage du pore varient linéairement en fonction du coefficient de frottementce qui nous permet d'estimer par extrapolation la durée d'un cycle pour les colloïdes.En jouant sur la non-additivité et la densité,nous parvenons à rendre les cycles irréversibles : selon l'application envisagée,l’irréversibilité pourra s'avérer utile ou devra être évitée.Nous terminons ce chapitre en estimant la variation de la durée des cycles avecla taille des colloïdes. Un modèle d'interaction entre colloïdes constitués pardes centres répulsifs en loi de puissance, uniformément répartis dans une sphèrenous permet de prévoir, moyennant des hypothèses sur les lois d'échelle,la variation des durées de remplissage ou de vidage pour des tailles allantde petits colloïdes aux dimensions quasi-moléculaires / The work presented in this dissertation is in the framework of the theoretical study ofcolloidal dispersions, i.e. suspensions of particles whose size varies from nanometers tomicrometers. In such a medium, the interactions between particles can be tuned through their surfacecomposition for instance. One may also modify the environment of the colloids:a specific solvent can be combined with confinement of the mixture andan external can field applied on it in order to tune its thermodynamic properties.Once a model of a physical system is defined, computer simulation can be used to explorea range of parameters to check if the sought phenomenon occurs, before carrying outany real experiment. This work focuses on this preliminary step: our model consists ofa mixture of dipolar and apolar hard spheres in a confined medium and subjected to anelectric field (or a magnetic one for ferrocolloids).In a first step, we use Monte Carlo simulation to study equilibrium states ofa binary mixture confined between distant walls,with symmetric composition of the two species having non additive interactions.By comparing the results of different densities and field directions,we recover some properties already observed for similar systems.In the reference state where the field is turned off, the mixture at low density is stableand we notice that the dipoles stay away from the walls.A denser mixture separates into two phases and in the dipoles rich one,the dipolar particles now wet the walls.When the mixture is subjected to a field perpendicular to the walls,it remains stable in spite of its high density and non additivity between unlike particles.Increasing the field induces a structuring of the dipolar component near the wallsand we observe column shaped clusters of dipoles along the direction of the field.Finally, the application of a field parallel to the walls separates the mixture,even at the lowest density we chose. Dipoles stay away from the walls and we observeentangled dipoles chains.In a second step we explore the dynamics of a mixture with asymmetric composition andsubjected to a field. We combine Monte Carlo and molecular dynamic (Langevin) simulationsin this study. The mixture is confined in a box with a bottleneck channel in order tosimulate an open pore exchanging particles with a reservoir through an explicit interface.The field which is perpendicular to the walls is applied in the bottleneck regionto attract dipoles there.We first consider a low density mixture such that the filling / emptying cycleof the pore is reversible.The intensity of the field is then increased to speed up the cycles.As expected, the dipoles fill the pore faster then. However their composition saturatesunder the maximum value found for a lower field.A series of cycles was performed with increasing Langevin damping coefficients but stilllow enough to reduced the computation time.We then notice that the filling or emptying duration is a linear function ofthe damping coefficient. The duration of a cycle for colloids is then obtained fromextrapolation.Combining non additivity and high enough density, we are able to make an irreversible cycle:depending on the application sought for, this irreversibility can be useful ormust be avoided.This chapter ends with the assessment of the duration of a cycle with respect tothe size of colloids. We use an interaction model between colloidal particles wherea colloid is uniformly made of repulsive centers following a power law.With some scaling law hypotheses, the duration of a filling or an emptying is estimated forsmall colloids down to nearly molecular dimensions

La compréhension des processus de corrosion est un élément majeur de l’étude de la durabilité des matériaux en environnements agressifs. C’est dans ce cadre que ce travail de thèse se situe. L’objectif est d’apporter un nouvel éclairage sur les processus de corrosion du nickel en milieu aqueux en utilisant la simulation par dynamique moléculaire avec un champ de force réactif « ReaxFF ».Nous nous sommes particulièrement intéressé aux réactions entres les molécules d’eau et les surfaces monocristallines de nickel. Ces résultats ont montré aucune dissociation de l’eau sur les surfaces. Par ailleurs, une adsorption des molécules en bicouche a été constatée, traduisant la polarisation mutuelle entre l’eau et le nickel, ce que confirme le calcul de charges. La surface du métal s’est chargée positivement alors que la première couche d’eau se charge négativement, reproduisant la double couche électrique. L’introduction d’un champ électrique extérieur a conditionné la réaction entre l’eau et le nickel. La présence du champ a permis d’observer les différentes étapes d’oxydation du nickel : l’adsorption des molécules d’eau puis leurs dissociations en OH- et H3O+. La dissolution des atomes de nickel à la surface puis la pénétration de O dans Ni. Ces processus d’oxydation sont répétés au cours du temps pour obtenir le film d’oxyde. L’épaisseur du film d’oxyde dépend linéairement de l’intensité du champ électrique. La cinétique d’oxydation est améliorée pour la surface (110) par rapport aux autres surfaces étudiées. L’étude de l’oxydation d’un bicristal de nickel a montré des processus identique. Par ailleurs, nous avons constaté que les premiers germes d’oxydation se sont produits au niveau des joints de grains et se sont propagés sur toute la surface. L’ensemble de ces résultats est en bon accord avec les observations expérimentales / Understanding of corrosion processes is important for the study of the durability of materials in aggressive environment. The objective is to provide new lights on the corrosion processes of nickel in aqueous condition with molecular dynamics simulation using a reactive force field "ReaxFF."We are particularly interested by the reaction between water molecules and mono-crystalline surfaces of nickel. No dissociation of water was showed on the surfaces. Moreover, an adsorption of molecules in bilayer was observed, reflecting the mutual polarization between water and nickel, which confirms the charge calculation. The metal surface is positively charged and the first water layer charged negatively, reproducing the electrical double layer. The introduction of an external electric field has conditioned the reaction between water and nickel. The presence of the field permits to observe the different stages of nickel corrosion: adsorption of water molecules, their dissociation into OH- and H3O+, the dissolution of the nickel atoms on the surface and the penetration of O in Ni. These oxidation processes are repeated over time to obtain the oxide film. The thickness of the oxide film depends linearly on the electric field intensity. The oxidation kinetics is improved to the surface (110) compared with other orientations studied. All these results are in good agreement with experimental observations

Dans le cadre de la vitrification de déchets nucléaires, la connaissance et la maîtrise des propriétés structurales et dynamiques des verres incluant les radioéléments sont importantes (dans le liquide et le solide). Elles influencent notamment la qualité du colis de verre, la durée de vie du procédé de vitrification et la quantité de produits de fission qu’il est possible d’introduire. Des simulations de dynamique moléculaire ont été réalisées afin d’analyser l’influence de la composition des matrices vitreuses sur les propriétés structurales et dynamiques. Le verre nucléaire industriel R7T7 étant composé d’un trop grand nombre d’oxydes (une trentaine) pour être simulé correctement, un verre simplifié, composé des oxydes SiO2, B2O3 et Na2O (majoritaires du verre R7T7) a été préféré. L’ajout de La2O3 permet de simuler l’impact des produits de fission et les actinides mineurs sur les propriétés de la matrice vitreuse. Les deux systèmes SiO2-B2O3-Na2O et SiO2-B2O3-Na2O-La2O3 ont permis d’étudier l’effet du sodium et du lanthane sur différentes propriétés. Au cours de ces travaux, un champ de force polarisable a été développé pour réaliser les simulations. Nos calculs à température ambiante ont permis de reproduire les résultats expérimentaux de la structure, de la répartition BIII/B IV, de la densité, avec un bon accord. Une étude a été menée dans le liquide pour l’analyse de la viscosité et de la conductivité électrique. La spéciation B IV/B III et l’influence des changements structuraux sur la densité avec l’augmentation de la température ont également été observées au cours de trempes thermiques. Les limites actuelles de cette approche sont également décrites. / As result of the nuclear waste vitrification, the knowledge and understanding of the dynamic and structural properties of glasses, including the behavior of radionuclides, is important (in liquid and solid phases). It can influence the glass waste properties, the lifetime of the vitrification process and the amount of radionuclides introduced in the glass matrix. Molecular dynamic simulations have been done to study the influence of the glass matrix composition into the structural and dynamic properties of the glass. A simplified glass, with 3 major oxides of the R7T7 glass such as SiO2, B2O3 and Na2O, have been used to simulate the R7T7 industrial nuclear glass (a 30 oxides glass). The inclusion of La2O3 allows us to simulate the impact of fission products and minor actinides into the properties of the glass matrix. Both systems, the SiO2-B2O3-Na2O and SiO2-B2O3-Na2O-La2O3, allow us to study the sodium and lanthanum effect on the properties of the glass. During this work, a polarizable force field has been developed to do these simulations. The results obtained at room temperature let us reproduce the experimental results of the structure, the distribution of BIII/BIV and the density. A study has been done on the viscosity and electrical conductivity of the liquid. The distribution BIV/BIII and the influence of the structural changes on the density along with the temperature have also been observed with thermal quenchings. The current limits of this approach are also described.

Ce travail de thèse se situe à l'interface entre la chimie théorique, le calcul scientifique et les mathématiques appliquées. On s'intéresse aux différents algorithmes utilisés pour résoudre les équations spécifiques qui apparaissent dans le cadre de la dynamique moléculaire utilisant des champs de forces polarisables dans un cadre massivement parallèle. Cette famille de modèles nécessite en effet de résoudre des équations plus complexes que les modèles classiques usuels et rend nécessaire l'utilisation de supercalculateurs pour obtenir des résultats significatifs. On s'intéressera plus précisément à différents cas de conditions aux limites pour rendre compte des effets de solvatation comme les conditions aux limites périodiques traitées avec la méthode du Particle Mesh Ewald et un modèle de solvatation continu discrétisé par décomposition de domaine : le ddCOSMO. Le plan de cette thèse est le suivant : sont d'abord passées en revue les différentes stratégies parallèles en dynamique moléculaire en général, sont ensuite présentées les façons de les adapter au cas des champs de forces polarisables. Après quoi sont présentées différentes stratégies pour s'affranchir de certaines limites liées à l'usage de méthodes itératives en dynamique moléculaire polarisable en utilisant des approximations analytiques pour l'énergie de polarisation. Ensuite, l'adaptation de ces méthodes à différents cas pratiques de conditions aux limites est présentée : d'abord en ce qui concerne les conditions aux limites périodiques traitées avec la méthode du Particle Mesh Ewald et ensuite en ce qui concerne un modèle de solvatation continue discrétisé selon une stratégie de décomposition de domaine. / This works is at the interface between theoretical chemistry, scientific computing and applied mathematics. We study different algorithms used to solve the specific equations that arise in polarizable molecular dynamics in a massively parallel context. This family of models requires indeed to solve more complex equations than in the classical case making the use of supercomputers mandatory in order to get significant results. We will more specifically study different types of boundary conditions that represent different ways to model solvation effects : first the Particle Mesh Ewald method to treat periodic boundary conditions and then a continuum solvation model discretized within a domain decomposition strategy : the ddCOSMO. The outline of this thesis is as follows : first, the different parallel strategies in the general context of molecular dynamics are reviewed. Then several methods to adapt these strategies to the specific case of polarizable force fields are presented. After that, strategies that allow to circumvent certain limits due to the use of iterative methods in the context of polarizable molecular dynamics are presented and studied. Then, the adapation of these methods to different cases of boundary conditions is presented : first in the case of the Particle Mesh Ewald method to treat periodic boundary conditions and then in the case of a particular continuum solvation model discretized with a domain decomposition strategy : the ddCOSMO. Finally, various numerical results and applications are presented.

L’objectif principal de la thèse a été d’étudier les propriétés de résistance des matériaux nanoporeux par des approches théoriques et numériques. Dans le contexte des méthodes d’homogénéisation, des critères de résistance macroscopiques ont été établis par des approches analytiques à l’homogénéisation non-linéaire et à l’analyse limite. Les critères de résistance ainsi obtenus permettent de tenir en compte les effets de taille, tout en améliorant les formulations déjà existantes.
 En outre, dans le but de servir de référence pour la calibration et/ou la validation des modèles analytiques, des simulations numériques basées sur la dynamique moléculaire ont été conduites, en se référant à des monocristaux d’aluminium contenant des nanopores sphériques, sous des conditions multiaxiales de vitesse de déformation. Par rapport aux simulations actuellement disponibles dans la littérature, les résultats obtenus ont clairement établi que les surfaces de résistance sont significativement influencées par les trois invariants isotropes de contrainte.
 Finalement, dans le but de mettre à profit les indications fournies par les simulations numériques, le cas d’un matériau nanoporeux constitué d’une matrice ductile sensible aux trois invariants isotropes a été étudié par une approche par l’analyse limite, en prenant en compte une formulation modifiée du critère de résistance de bigoni. La solution exacte du problème a été établie dans le cas d’un chargement isotrope. A partir des résultats ainsi obtenus, une approche d’analyse limite cinématique a été mise en place, et permet de fournir des estimations des propriétés de résistance macroscopiques sous chargements axisymétriques. / The main objectif of the thesis consisted in investigating strength properties of nanoporous materials by means of theoretical and numerical approaches. In the framework of homogenization methods, novel macroscopic strength criteria have been established via a non-linear homogenization procedure and a kinematic limit-analysis approach. Resulting yield functions allowed to take into account void-size effects on nanoporous materials strength properties, thereby resulting in a strong enhancement of available estimates. Furthermore, aiming to funish effective benchmarking evidence for the calibration and/or the assessment of theoretical models, molecular-dynamics based computations have been carried out on in-silico single crystals embedding spherical nanovoids, simulation domains undergoing multiaxial strain-rate boundary conditions. With respect to available numerical studies, proposed results clearly showed the influence of all the three isotropic stress invariants on computed material strength surfaces. Finally, with the aim to account for physical indications coming from numerical simulations, a ductile nanoporous material with a general isotropic plastic matrix has been investigated via a limit analysis approach, by referring to a modified version of the bigoni strength criterion. The limit state of a hollow-sphere model undergoing isotropic loadings has been exactly determined. Correspondigly, a novel strength criterion has been analytically established in the case of axysimmetric boundary conditions.

Les agrégats de molécules d'eau constituent une classe d'espèces chimiques importante du fait de leur rôle central dans de nombreux processus physico-chimiques et biologiques terrestres, en particulier, les processus atmosphériques. Leurs propriétés physiques et chimiques sont particulièrement sensibles aux effets de taille et aux effets de température, ce qui les rend particulièrement difficile à caractériser expérimentalement. Ainsi, mes travaux de thèse ont porté sur l'étude théorique des propriétés structurales, dynamiques et thermodynamiques ainsi que sur la réactivité de divers agrégats de molécules d'eau avec pour objectif de mettre en place des outils de modélisation adaptés, permettant une description plus fine de ces systèmes. Pour cela, nous avons utilisé des approches de dynamique moléculaire de type "parallel-tempering" qui ont été couplées avec des calculs d'énergie et de gradient réalisés par la méthode Self-Consistent-Charge Density-Functional based Tight-Binding (SCC-DFTB). Trois grands volets ont été abordés au cours de ces travaux. Dans la première partie, l'analyse détaillée des structures des agrégats d'eau (H2O)nSO24- et (H2O)nH2SO4 avec n=1-20 est présentée. Nous avons mis en évidence l'influence de la nature de l'impureté soufrée sur le réseau de liaisons hydrogène de ces agrégats. La deuxième partie de cette thèse porte sur l'étude de la transition de phase "solide-liquide" dans divers agrégats de molécules d'eau. En plus des agrégats soufrés évoqués ci-dessus, nous avons également étudié des agrégats d'eau protonés contenant de 19 à 23 molécules d'eau. Pour mieux comprendre le mécanisme de transition de phase, nous avons considéré divers changements structuraux associés à la transition tels que l'évolution des distributions d'angles intermoléculaires et l'évolution du nombre de cycles de molécules dans l'agrégat. Nous avons également caractérisé la transition de phase au travers d'indicateurs dynamiques tels que la fréquence de transfert du proton en excès. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'influence de petits agrégats d'eau (allant de 1 à 10 molécules d'eau) sur la réaction de recombinaison entre l'atome H et la molécule CO. Cette réaction est la première étape de formation des molécules organiques oxygénées simples dans le milieu interstellaire. Elle présente donc un intérêt particulier. Grâce à l'analyse de dynamiques collisionnelles entre H et CO ainsi qu'au calcul de sections efficaces de réaction, nous avons montré que la présence des molécules d'eau joue un rôle important dans le processus de formation du radical HCO. / Water clusters constitute an important class of chemical species due to their central role in many physico-chemical and biological processes, in particular, atmospheric processes. Their physical and chemical properties are particularly sensitive to size and finite-temperature effects, which makes them particularly difficult to characterize experimentally. This thesis focused on the theoretical investigation of the structural, dynamical and thermodynamical properties as well as on the reactivity of various water clusters with the aim to implement appropriate modeling tools to enable a more detailed description of these systems. To do so, we used the paralleltempering molecular dynamics approach that was coupled with calculations of energies and gradients carried out by the Self-Consistent-Charge Density-Functional based Tight-Binding (SCC-DFTB) method.Three main areas were addressed during the work. In the first part, a detailed analysis of the structure of water clusters (H2O)nSO24- and (H2O)nH2SO4 with n=1-20 is performed. This study highlights the influence of the nature of the sulfur impurity on the hydrogen bond network of these species.The second part of this thesis focuses on the study of the "solid-liquid" phase transition in various water clusters. In addition to the sulfur-containing water clusters mentioned above, we also investigated protonated water clusters containing from 19 to 23 water molecules. To better understand the phase transition mechanism, we considered various structural changes associated with the transition, such as the evolution of the distributions of intermolecular angles and the evolution of the number of molecular rings in the cluster. We also characterized the phase transition through dynamical indicators such as the crossover frequency of the excess proton. The last part of this thesis is devoted to the study of the influence of small water clusters (from 1 to 10 water molecules) on the recombination reaction between the H atom and the CO molecule. This reaction is the first step in the formation of simple oxygenated organic molecules in the interstellar medium. It is therefore of particular interest. Due to the analysis of collisional dynamics between H and CO and the calculation of effective reaction cross sections we showed that the presence of water molecules plays an important role in the HCO radical formation.