De nombreux processus biologiques liés aux membranes cellulaires lipidiques sont encore très mal connus. La présence d'eau et d'ions à l'interface influence les propriétés structurelles et dynamiques de la bicouche lipidique. Les techniques de fluorescence sont très utiles pour étudier les membranes en raison de la grande sensibilité des sondes à leur environnement. Nous avons utilisé la technique de relaxation de solvant (SR) pour explorer l'hydratation et la mobilité de l'eau. Nous avons également réalisé des calculs quantiques (QM) et des dynamiques moléculaires (DM) pour étayer nos expériences. Les résultats SR montrent qu'un petit cation (Na+) est très attiré par la membrane et augmente sa rigidité à l'opposé des cations (NH4+, Cs+) plus gros. Les anions (CI04-, SCN-) s'adsorbent à l'interface plus facilement que Cl-. Ces anions changent la mobilité et l'hydratation des têtes polaires des lipides de la bicouche. Les études SR de la zone hydrophobe de la membrane montrent que les processus de relaxation sont ici très complexes. lis reflètent des processus rapides intramoléculaire (relaxation de torsion, transferts de charge) et des processus intermoléculaires lents. Les calculs QM ont permis de créer les champs de force de trois sondes fluorescentes (Prodan, Laurdan et C-laurdan). Les simulations DM ont permis de déterminer les positions des sondes dans une membrane DOPC. La modélisation reproduit correctement les résultats SR, en particulier les temps de relaxation : de l'ordre de la ps en solvant aqueux et de la ns dans la membrane. Les simulations MD sont complémentaires des méthodes SR et permettent de surveiller le comportement de molécules uniques. / Many biologically important processes and phcnomena in lipid membranes are still not fully understood. The presence of ions and water molœules has a significant influence on the structural and dynamical properties of lipid bilayers. Fluorescent techniques are versatile tools for studying the lipid membranes, because the fluorescence emission is strongly sensitive to dye environment. We have conducted fluorescent solvent relaxation (SR) experiments to explore the hydration and mobility properties in lipid membranes in the presence of different chaotropic ions. We have also carried out Quantum Mechanical (QM) calculations and Molecular Dynamics (MD) simulations for supporting the SR experiments. SR experiments show that small cation (Na+) is attracted to the membrane and increases rigidity ofbilayer, while larger cations (NH/, Cs+) should not. Large anions (CI04·, SCN') adsorl, at the membrane interface more easily than smaller ones (Cl') and significantly change tl!e mobility and hydration of the headgroup region oflipid bilayer. SR study ofhydrophobic part of the membrane show that SR processes are complex there and reflect botl!: faster, intramolecular (torsional relaxation or fonnation of charge transfer state) and slower, intermolecular (SR) relaxation processes. QM calculatiom were used to create force-field for three fluorescent dyes (Prodan, Laurdan and C-laurdan). MD simulations allow detennining position of the dye in the lipid membrane in the ground state and after excitation and reproduce correctly SR timescale- ps in water and ns in the membrane. MD simulations extend the capabilities of SR method and allow observing the behaviour of individual molecules.

Les interactions ADN-protéine sont fondamentales dans de nombreux processus biologiques tels que la régulation des gènes et la réparation de l'ADN. Cette thèse est centrée sur l'analyse des propriétés physiques et dynamiques des interfaces ADN-protéine. À partir de l'étude de quatre complexes ADN-protéine, nous avons montré que l'interface ADN-protéine est dynamique et que les ponts salins et liaisons hydrogène se forment et se rompent dans une échelle de temps de l'ordre de la centaine de picosecondes. L'oscillation des chaînes latérales des résidus est dans certains cas capable de moduler la spécificité d'interaction. Nous avons ensuite développé un modèle de protéine gros grains dans le but de décomposer les interactions ADN-protéine en identifiant les facteurs qui modulent la stabilité et la conformation de l'ADN ainsi que les facteurs responsables de la spécificité de reconnaissance ADN-protéine. Notre modèle est adaptable, allant d'un simple volume mimant une protéine à une représentation plus complexe comportant des charges formelles sur les résidus polaires, ou des chaînes latérales à l'échelle atomique dans le cas de résidus clés ayant des comportements particuliers, tels que les cycles aromatiques qui s'intercalent entre les paires de base de l'acide nucléique / DNA-protein interactions are fundamental in many biological processes such as gene regulation and DNA repair. This thesis is focused on an analysis of the physical and dynamic properties of DNA-protein interfaces. In a study of four DNA-protein complexes, we have shown that DNA-protein interfaces are dynamic and that the salt bridges and hydrogen bonds break and reform over a time scale of hundreds of picoseconds. In certain cases, this oscillation of protein side chains is able to modulate interaction specificity. We have also developed a coarse-grain model of proteins in order to deconvolute the nature of protein-DNA interactions, identifying factors that modulate the stability and conformation of DNA and factors responsible for the protein-DNA recognition specificity. The design of our model can be changed from a simple volume mimicking the protein to a more complicated representation by the addition of formal charges on polar residues, or by adding atomic-scale side chains in the case of key residues with more precise behaviors, such as aromatic rings that intercalate between DNA base pairs

Cette thèse présente le développement et les applications d'un formalisme hybride quantique-classique pour décrire la structure électronique d'un système actif avec un environnement cryogénique (agrégat ou matrice d'atomes de gaz rare). La description quantique de la structure électronique du système actif est faite dans le cadre d'une approximation de type Liaisons Fortes de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité, avec charges atomiques autocohérentes (SCC-DFTB). L'environnement de gaz rare est décrit par des potentiels classiques atome-atome (FF). L'interaction entre le sytème actif et les atomes de l'environnement cryogénique est représentée par des opérateurs matriciels locaux anisotropes électron-atome, ainsi que par des contributions de polarisation et de dispersion. La détermination des opérateurs et des paramètres d'interaction est extraite de calculs ab initio post Hartree-Fock (CCSD-T) sur les paires atome actif/atome d'argon. Les applications concernent les interactions entre hydrocarbures, agrégats d'eau isolés ou complexes hydrocarbures/eau avec des agrégats et ou des matrices d'argon. Le modèle est validé sur de petits systèmes (molécule C6H6 , molécule H2O) en interaction avec des atomes et agrégats d'argon. Nous avons ainsi déterminé les données structurales et énergétiques pour les agrégats (C6H6)Arn (n < 55) qui ont été comparées à des données ab initio (DFT, CCSD-T) pour les plus petits agrégats, ou à des calculs de champ de force publiés dans la littérature pour les agrégats de plus grande taille. Le modèle permet également un traitement unifié de différentes situations électroniques permettant ainsi la détermination de l'évolution des potentiels d'ionisation du système actif en fonction de la taille n de l'agrégat solvatant. Le modèle DFTB/FF a ensuite été appliqué à des molécules et nano-agrégats d'eau (H2O)n (n=2-6) insérés dans des matrices d'argon, représentées par des sous-ensembles finis du réseau cristallin cubique faces centrées. Des données structurales et énergétiques ont été obtenues. Des études de dynamique moléculaire ont permis la détermination de spectres infrarouges (IR) à température finie. La comparaison des spectres IR théoriques caractérisant une molécule d'eau en matrice avec les données expérimentales nous a permis de valider l'approche DFTB/FF. Le cas de l'hexamère (H2O)6, plus petit agrégat présentant une structure tri-dimensionnelle et caractérisé par plusieurs isomères stables, a été étudié de façon exhaustive : l'effet de la matrice sur les structures de certains de ces isomères a été mis en évidence, ainsi que des effets différentiels sur leur stabilités respectives. Une influence sur les positions des bandes IR des agrégats a également été montrée. Les résultats obtenus permettent une interprétation satisfaisante des données expérimentales existantes pour les plus petits agrégats. L'assignation des spectres expérimentaux de l'hexamère demeure incertaine. Enfin, des résultats préliminaires sur les structures, l'énergétique et les spectres IR à température finie ont été obtenus pour des complexes d'Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques avec l'eau (HAP-H2O) en matrices d'argon. L'ensemble des données obtenues pour ces complexes est discuté en relation avec les résultats expérimentaux en environnement cryogénique obtenus dans l'équipe de Joëlle Mascetti de l'Institut des Sciences Moléculaires de l'Université Bordeaux I, dans le cadre d'une collaboration ANR (ANR PARCS no 13-BS08-0005). Ce travail a bénéficié d'une allocation de thèse co-financée par l'Institut de Physique du CNRS et le Conseil Régional de la région Midi-Pyrénées. / This thesis presents the development and applications of an hybrid quantum-classical formalism in order to describe the electronic structure of an active system in a cryogenic environment (cluster or rare gas matrix). The quantum description of the electronical structure of the active system is based on a a tight-binding approximation of the density functional theory, with self-consistency regarding the charges (SCC-DFTB). The rare gaz environment is described via classical atom-atom potential (FF). The interaction between the active system and the atoms of the cryogenic environment is represented by local anisotropic matricial electron-atom operators, as well as by polarisation and dispersion contributions. Operators and interaction parameters are extracted from post Hartree-Fock \textit{ab initio} calculations (CCSD-T) of active atom/argon atom pairs. The applications involve hydrocarbons, isolated water clusters or hydrocarbon/water complexes in interaction with argon clusters or matrices. The model has been validated on small systems (C6H6 molecule, H2O molecule) in interaction with argon atoms and clusters. We have been able to determine structural and energetic data for (C6H6)Arn (n < 55) clusters which are benchmarked against ab initio results (DFT,CCSD-T) for the smaller sizes, or with respect to FF calculations, available in the literature, for larger sized clusters. The model enables to treat various electronic situations, allows in particular to determine the evolution of the ionization potentials of the active system as a function of the inert cluster size. The SCC-DFTB/FF model has then been applied to water molecules and water nano-clusters (H2O)n (n=2-6) embedded in argon matrices, represented by finite size cristal pieces of the face centered cubic lattice. Structural and energetical data have been obtained. Molecular dynamics studies have enabled the determination of finite temperature infrared (IR) spectra. Comparison between the theoretical and experimental spectra of the water monomer embedded in the matrix validates the SCC-DFTB/FF approach. The case of the water hexamer (H2O)6, the smallest cluster presenting a three-dimensional structure and caracterized by several low-energy isomers, has been investigated exhaustively : the effect of the matrix on the structures of some isomers has been shown as well as differential effects on their respective stabilities. An influence on IR lines positions has also been highlighted. Our theoretical study allows for a satisfactory interpretation of the experimental data for the smallest clusters (n<4). The assignment of the experimental spectra of the hexamer remains in discussion. Finally, preliminary results on structures, energetics and finite temperature IR spectra have been obtained for Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) /water complexes. The results for the complexes are discussed in relation with experimental data obtained in the team of Joëlle Mascetti at the Institute of Molecular Sciences (University of Bordeaux I), in the context of an ANR collaborative project (ANR PARCS no 13-BS08-0005). The thesis has been co-financed by the CNRS Institute of Physics and Conseil Regional of Region Midi-Pyrénées.

L’optimisation de cellules solaires organiques repose sur l’amélioration de différents paramètres électroniques et structuraux. En particulier, les processus de séparation et de transport de charge doivent être optimisés pour obtenir des rendements élevés. Les processus de séparation de charge dans ces dispositifs s’effectuent aux interfaces donneur/accepteur suite à un décalage entre les niveaux électroniques de ces deux matériaux. Suivant leur nature, des interactions aux interfaces peuvent conduire à l’apparition d’un dipôle pouvant favoriser ou défavoriser la génération de charges libres ; toutefois, l’origine de ce dipôle d’interface est très mal connue. Ainsi, la première partie de cette thèse s’est attaché à une meilleure compréhension de l’origine de ce dipôle en appliquant une approche théorique multi-échelle sur un système D/A typique : l’interface pentacène/C60. L’amélioration des cellules solaires organiques repose également sur l’augmentation des longueurs de diffusion d’exciton et de la mobilité des porteurs de charge dans les couches actives. Ainsi, l’extension de l’ordre structural au sein d’une hétérojonction constituée de deux cristaux liquides colonnaires électroniquement complémentaires pourrait aider à améliorer ces paramètres. En deuxième partie, nous avons donc analysé l’impact du désordre structural présent au sein d’un auto-assemblage monodimensionnel de perylène diimide sur les paramètres électroniques gouvernant le transport de charge en couplant des calculs de dynamique moléculaire à des calculs de chimie quantique. Les mobilités des porteurs de charge ont été estimées en simulant des mesures de mobilité en temps de vol calculées dans le cadre du formalisme de Marcus puis comparées à l’expérience. Des résultats préliminaires issus de simulations de dynamique moléculaire sur une hétérojonction entre deux cristaux liquides électroniquement complémentaire récemment synthétisés ont été reportés en dernière partie. / The development of efficient organic solar cells relies on the optimization of different correlated electronic and structural parameters. In particular, efficient charge separation and charge transport processes are essential to get high conversion yields. The charge separation processes in these devices occur at the donor/acceptor interfaces due to the energetic mismatch between the electronic structures of the two materials. Depending on the nature of these materials, interfacial interactions may lead to the appearance of a significant dipole that can help or disadvantage the generation of free charges. However, the origin of this interface dipole is still unclear. Thus, the first part of this thesis presents a multiscale theoretical approach to address the origin of the interface dipole at a prototypical D/A interface: the pentacene/C60 interface. Improving of the conversion efficiency of organic solar cells also relies on the increase of both the exciton diffusion length and of the charge carrier mobilities. For this purpose, a possible route is to expand the structural order inside the heterojunction via the self-organization of two electronically complementary columnar liquid crystals. This point is investigated in the second part of this thesis. First, we address the impact of the structural disorder on the electronic parameters mediating the charge transport properties in a one-dimensional self-assembly of perylene diimides by coupling molecular dynamics simulations to quantum-chemical calculations. The charge carrier mobilities are evaluated by means of time-of-flight numerical simulations in the framework of the Marcus formalism and compared to the experience. Then, we present preliminary results issued from atomistic molecular dynamics simulations on the heterojunction between two recently synthesized electronically complementary discotic liquid crystals.

Ce travail est destiné au développement de méthodes approchées de chimie quantique capables de traiter des systèmes biologiques de grande taille. En particulier, nous réalisons des simulations de dynamique moléculaire dans l'approximation de Born-Oppenheimer, permettant une description quantique de l'Hamiltonien électronique du système dans son entier : SEBOMD (SemiEmpirical Born-Oppenheimer Molecular Dynamics). Notre approche se base sur un Hamiltonien électronique semiempirique (SE). L'une des principales difficultés rencontrées lors d'une simulation SEBOMD de la phase condensée est représentée par le choix de la méthode SE. La plupart des méthodes courantes ne permettant pas une bonne description de certaines interactions fondamentales, nous avons développé une nouvelle approche. Cette méthode, dénommée PM3-PIF3, a été appliquée à l'étude par dynamique moléculaire de molécules organiques dans l'eau. Les résultats obtenus montrent que notre méthode est appropriée pour le traitement de molécules comportant des groupements hydrophobes et/ou hydrophiles en milieu aqueux. L'analyse des propriétés électroniques et vibrationnelles de ces molécules en présence du solvant valide également nos résultats vis-À-Vis d'autres études expérimentales et théoriques présentes dans la littérature. Finalement, nous nous sommes intéressés au processus d'autoprotolyse de l'eau en milieux confinés. Après avoir discuté du choix de l'Hamiltonien SE à utiliser pour cette étude, nous avons caractérisé le transfert de proton dans un agrégat d'eau. Nous avons établi une corrélation entre l'énergie libre associée à la première étape de ce transfert et certaines propriétés physiques collectives / The present work is devoted to the development of approximate quantum chemistry methods that are suitable to treat biological systems of large size. In particular, we run molecular dynamics under the Born-Oppenheimer approximation, allowing a quantum mechanical description of the electronic Hamiltonian of the full system: SEBOMD (SemiEmpirical Born-Oppenheimer Molecular Dynamics). Our method is based on a semiempirical (SE) electronic Hamiltonian. One of the key issues arising in a condensed phase SEBOMD simulation is represented by the choice of the SE method. Since most of the currently available approaches fail in describing some relevant intermolecular interactions, we developed a new correction of SE Hamiltonians. This method, which we named PM3-PIF3, was applied to study the molecular dynamics of organic molecules in water. The results that we obtained showed that our technique is suitable to treat molecules having hydrophobic and/or hydrophilic groups in an aqueous medium. The analysis of the electronic and vibrational properties of these molecules in the presence of the solvent validates our results with respect to experimental and theoretical studies in the literature. Finally, we investigated the water self-Dissociation process in confined environments. After discussing the choice of the SE Hamiltonian to be used for this purpose, we characterized the proton transfer in a water cluster. We established a correlation between the free energy of the first step of this process and some collective physical properties

La présente étude est une approche holistique axée sur l'étude des effets spécifiques d'ions sur les propriétés d'auto-assemblage de tensioactifs cationiques gemini. Notre objectif principal étant l’étude de l'effet de divers contre-ions sur les caractéristiques d’auto-assemblage de tensioactifs cationiques en solution aqueuse. Afin d'obtenir une vision plus complète de l'effet des interactions ioniques et moléculaires à l’interface sur les propriétés globales, nous avons utilisé des approches différentes. Nous avons combiné une étude expérimentale portant sur les propriétés en solution (concentration micellaire critique, degré d'ionisation, nombre d'agrégation, etc.), avec des approches centrées sur l'étude des propriétés micellaires interfaciales en analysant les concentrations des contre-ions et de l'eau de façon expérimentale (piégeage chimique) et informatique (simulations de dynamique moléculaire). En outre, nous avons étudié l'impact de la nature des contre-ions sur la croissance des micelles géantes par rhéologie. En plus de l'examen des propriétés de tensio-actifs en solution, les effets spécifiques d'ions sur les structures cristallines des agents tensioactifs gémini ont été étudiés.Nous avons trouvé que les effets d'ions spécifiques qui déterminent le comportement des agrégats micellaires de gemini cationiques d'ammonium quaternaire dans des solutions aqueuses dépendent fortement de l'énergie libre d'hydratation des contre-ions, en d'autres termes, sur leur propriétés hydrophile /hydrophobe. Contrairement à la solution aqueuse, dans les cristaux, la taille de l'ion devient le facteur déterminant. La comparaison des résultats obtenus pour un même système en solution aqueuse et à l'état solide a montré l'importance des interactions ion-eau dans les effets spécifiques d'ions. Cependant, il faut noter que les propriétés du substrat (les gemini dans notre cas) doivent être prises en compte non moins soigneusement afin de prédire complétement les effets Hofmeister. / The present study is a holistic approach focused on the investigation of ion specific effects on the self-assembly properties of cationic gemini surfactants. Our main focus was on the effect of various counterions on the self-organization features of cationic surfactants in aqueous solution. In order to obtain amore comprehensive understanding of the effect of interfacial ionic and molecular interactions on aggregate properties we used different approaches. We combined an experimental study focused on the bulk solution properties (critical micelle concentration, ionization degree, aggregation number, etc.), with approaches focused on investigating the interfacial micellar properties by analyzing the interfacial counterion and waterconcentrations, experimentally (chemical trapping) and computationally (molecular dynamic simulations). Moreover, the impact of counterion nature was investigated by studying the growth of wormlike micelles using rheology. Besides the examination of the surfactants properties in solution, the ion specific effects onthe crystalline structures of gemini surfactants were studied.We found that ion specific effects which determine the behavior of micellar aggregates of cationic quaternary ammonium gemini in aqueous solutions strongly depend on the free energy of hydration of the counterions, in others words, on their hydrophilic/hydrophobic properties. Contrarily to aqueous solution, in crystals, the size of the ion becomes the determining factor. Comparison of the results obtained for the same system in aqueous solution and in solid state showed the importance of ion-water interactions in ion specific effects. However, one should note that the properties of substrate (the gemini in our case) should be taken into account not less carefully in order to fully predict Hofmeister effects.

À l'approche de la transition vitreuse les fondus de polymères montrent une augmentation importante de la viscosité de plusieurs ordres de grandeur. Le but de cette étude est d'acquérir une compréhension plus profonde des propriétés viscoélastiques des fondus de polymères vitrifiables. Les polymères sont modélisés comme des chaînes flexibles en utilisant un modèle de bille-ressort. Les propriétés dynamiques sont analysées dans le cadre de la théorie de couplage de mode idéale. Nous constatons que la température critique de couplage de mode varie avec l'inverse de la longueur de chaîne. En étudiant la fonction de relaxation de cisaillement, nous constatons que les processus de relaxation polymériques, ne sont pas modifiés, mais décalés vers des temps plus importants en approchant la transition vitreuse. / Polymer melts show a remarkable increase of their viscosity by many orders of magnitude on approaching the glass transition. The aim of this study is to gain a deeper insight into the viscoelastic properties of glass forming polymer melts. The polymers are modeled as flexible chains using a bead-spring model. The dynamic properties are analyzed in the framework of the ideal mode-coupling theory. We find that the critical temperature of the ideal mode-coupling theory scales with the reciprocal chain length. By studying the shear relaxation function we find that the polymer relaxation processes are not altered but shifted to later times in the approach of the glass transition.

Les amines grasses sont présentes dans la formulation de lubrifiants automobiles, en tant que modificateurs de frottement organiques (MFO), afin d'atténuer les effets négatifs entraînés par le frottement et l'usure induits au sein des pièces sujettes aux conditions limites (c'est-à-dire, sous haute pression et basse vitesse de glissement). Outre leurs propriétés de lubrification, ces additifs présentent l'avantage d'être compatibles avec les systèmes de dépollution des gaz d'échappement, puisque leur composition organique est exempte d'éléments nocifs, tels que le soufre, le phosphore et certains métaux. Ainsi, un protocole de calcul en dynamique moléculaire classique a été mis en place et utilisé pour étudier, à l'échelle moléculaire, les propriétés des surfactants. En particulier, trois mécanismes d'action ont été considérés, à savoir : leur diffusion dans un milieu liquide, leur adsorption sur des substrats solides, et leur comportement en frottement. Dans ce contexte, différents facteurs associés à la structure des constituants des lubrifiants ont été analysés, notamment leur effet sur la performance des MFO. Les simulations révèlent que : (i) Diffusion – le coefficient de diffusion des composés aminés sont considérablement impactées par les caractéristiques de l'huile de base (exemple: leur polarité et masse moléculaire), sachant que les modèles de solvant les plus polaires et les plus lourds provoquent le ralentissement du flux diffusif des MFO ; par ailleurs, la structure des additifs jouent également un rôle dans leur diffusion, où les molécules les plus petites et les moins polaires s'avèrent relativement les plus mobiles. (ii) Adsorption – les amines primaires réagissent chimiquement avec une surface d'oxyde de fer, en formant des monocouches auto-assemblées, dont l'organisation et l'épaisseur augmentent avec leur taux de recouvrement. (iii) Frottement – les films adsorbés contenant d'amines constituées d'une chaîne hydrocarbonée C18 linéaire et saturée sont capables de réduire le frottement d'un système modèle représentant un nano-contact en régime limite ; en plus, leur efficacité dépend de la microstructure développée par les amines adsorbées sur les substrats sous compression et cisaillement ; d'ailleurs, les films permettant la formation de(s) plan(s) de glissement bien défini(s) entre les molécules organiques confinées sont davantage disposés à diminuer la résistance de glissement. Par conséquent, ces études ont permis de confirmer l'intérêt de l'apport d'une approche numérique complémentaire aux techniques expérimentales dans le but de comprendre les phénomènes élémentaires des systèmes tribologiques. / Fatty amines and their derivatives are employed as organic friction modifiers (OFM) in lubricant oils in order to mitigate the negative effects of friction and wear, both induced by the moving and rubbing components of an internal combustion engine that are subjected to boundary lubrication conditions (i.e., high contact pressure and low sliding velocity). In addition to their tribological performance, these additives exhibit the benefit of being compatible with exhaust aftertreatment systems that equip the current light-duty vehicles, owing to their sulfur- and phosphorus-free chemical composition. For these reasons, we have developed a computational protocol, composed of equilibrium and non-equilibrium (classical) molecular dynamics simulations, in order to gain a deeper understanding into their mechanisms of action at nanoscale, and in particular into their diffusion, adsorption and friction behaviors. In this context, the influence of different molecular structure factors – related to lubricant constituents – on OFM working performance were investigated. The obtained results have shown that: (i) Diffusion – OFM diffusivity is substantially affected by the base oil structure and chemistry (e.g., polarity and molar mass), where solvents with relatively larger and higher polar groups tend to slow down their diffusive rate; besides, the OFM dynamics in liquid phase is also impacted by their own composition, being the molecules with relatively smaller and less polar structure the most mobile additives. (ii) Adsorption – primary alkyl amines do chemisorb onto iron-oxide substrates, thereby forming molecular films whose packing order and thickness increase with increasing surface coverage. (iii) Friction – adsorbed layers containing primary amines with linear, saturated, C18 hydrocarbon tails are able to reduce friction in a single-asperity, boundary nano-contact model, where their efficiency is dependent on their molecular ordering under confinement and shear; in addition, the organic films allowing the formation of well-defined slippage interface(s) with little molecular interdigitation are more prone to diminish the sliding resistance of solid substrates in relative motion.Therefore, those findings are expected to foster the exploration and development of computational simulation approaches, as a complement of experimental techniques, to investigate the fundamental phenomena present in tribological-relevant engineering systems.

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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. / This study, performed within the framework of an EDF and IPN of Orsay partnership, contributes to the studies intended to improve the understanding of the radioelement behaviour in service (nuclear power plant) and at the end of the uranium fuel cycle (deep geologic repository). The behaviour and the evolution of radioelement depend mainly on the interactions at the water / mineral interfaces, which are complex and often difficult to characterize in situ (in particular, in the PWR primary circuit). Molecular dynamic simulations based on the Density Functional Theory provide some insight to understand the evolution of the structures against the solvation and the effects of the temperature on the interaction mechanisms. At first, the behaviour of the uranyl ion at room temperature in solution and at the water / TiO2 interface, as a system model, has been studied and validated by the systematic comparisons with the experimental and static DFT calculations data. Secondly, this approach was used on the same system, in predictive purposes, to study the effect of a temperature rise. The retention of the ion increases with the temperature in agreement with the experimental data obtained on other systems, and led also to a modification of the surface complex. Finally, a similar study has been performed at the water / NiO interface, which corresponds to a corrosion product present in the primary circuit of nuclear power plants, but for which few experimental data are currently available.