Nuclear fuel performance is highly affected by the behaviour of fission gases, particularly at elevated burnups, where large amounts of gas are produced and can potentially be released. The importance of fission gas release was the motivation for large efforts, both experimentally and theoretically, in order to increase our understanding of the different steps of the process, and to continuously improve our models. Extensions to higher burnups, together with the growing interest in novel types of fuels such as inert matrix fuels envisaged for the transmutation of minor actinides, make that one is still looking for a permanently better modelling, based on a physical understanding and description of all stages of the release mechanism. Computer simulations are nowadays envisaged in order to provide a better description and understanding of atomic-scale processes such as diffusion, but even in order to gain insight on specific processes that are inaccessible by experimental means, such as the fuel behaviour during thermal spikes. In the present work simulation techniques based on empirical potentials have been used, focusing in a first stage on pure uranium dioxide. The behaviour of point defects was at the core of this part, but also the estimation of elastic and melting properties. Then, in a second stage, the study has been extended to the behaviour of helium and xenon. For helium, the diffusion in different domains of stoichiometry was considered. The simulations enabled to determine the diffusion coefficient and the migration mechanism, using both molecular dynamics and static calculation techniques. Xenon behaviour has been investigated with the additional intention to model the behaviour of small intragranular bubbles, particularly their interaction with thermal spikes accompanying the recoil of fission fragments. For that purpose, a simplified description of these events has been proposed, which opens perspectives for further work. / Les performances du combustible nucléaire sont fortement affectées par le comportement des gaz de fission, et ce particulièrement lorsqu’un taux d’épuisement élevé est atteint, puisque d’importantes quantités de gaz sont alors produites et peuvent potentiellement être relâchées. Les enjeux, entre autre économiques, liés au relâchement de gaz de fission ont donné lieu à d’importants efforts, tant sur le plan expérimental que théorique, afin d’accroître notre compréhension des différentes étapes du processus, et d’améliorer sans cesse les mod`eles. Les extensions à des taux d’épuisements encore plus élevés ainsi que l’intérêt croissant pour de nouveaux types de combustible tels que les matrices inertes, envisages en vue de la transmutation des actinides mineures, font qu’à l’heure actuelle, le besoin permanent d’une meilleure modélisation, basée sur une compréhension et une description physique des différentes étapes du processus de relâchement de gaz de fission, est toujours de mise. Les simulations par ordinateur ont ainsi été considérée comme un nouvel angle de recherche sur les processus élémentaires se produisant à l’échelle atomique, à la fois afin d’obtenir une meilleure compréhension de processus tels que la diffusion atomique ; mais aussi afin d’avoir accès à certains processus qui ne sont pas observables par des voies expérimentales, tels que la le comportement du combustible lors de pointes thermiques. Dans ce travail, deux techniques, basées sur l’utilisation de potentiels interatomiques empiriques, ont permis d’étudier le dioxyde d’uranium, dans un premier temps en l’absence d’impuretés. Cette partie était principalement centrée sur le comportement des défauts ponctuels, mais a aussi concerné différentes propriétés élastiques, ainsi que le processus de fusion du composé. Ensuite l’étude a été étendue aux comportements de l’hélium de du xénon. Pour ce qui a trait à l’hélium, la diffusion dans différents domaines de stoechiométrie a été considérée. Les simulations ont permis de déterminer le coefficient de diffusion ainsi que le mécanisme de migration lui-même. Quant au xénon, outre les propriétés de diffusion, l’intention fut de se diriger vers la modélisation des petites bulles intragranulaires, et plus précisément vers leur interaction avec les pointes thermiques, créées lors du recul des fragments de fission. Une description simplifiée de ce processus a été proposée, qui offre de nouvelles perspectives dans ce domaine.

Ce manuscrit présente une description théorique des propriétés de transport exceptionnelles des liquides dans les nanotubes de carbone (CNT). La perméabilité de ces canaux dépasse largement ce qui est prévu par les équations de l'hydrodynamique et la condition limite de non-glissement. Au cours des dernières années, plusieurs groupes ont effectué des expériences d'écoulement de liquides dans des membranes de CNT. Une perméabilité très supérieure à l'attente classique a été observée. Dans ce contexte, nous avons mené une étude exhaustive du frottement liquide/solide qui apparaît pendant l'écoulement d'un fluide dans un CNT, à l'aide de simulations de dynamique moléculaire. Le coefficient de frottement a été mesuré pour différents systèmes en utilisant plusieurs méthodes indépendantes. Les simulations ont montré que le coefficient de frottement était indépendant du confinement, mais qu'il dépendait considérablement de la courbure de la paroi. Pour l'eau dans un CNT, le coefficient de frottement diminue avec le rayon du tube. Nous avons ensuite établi une expression approchée du coefficient de frottement, qui le relie à des propriétés microscopiques de l'interface entre le liquide et la paroi. Cette expression reproduit la dépendance du coefficient de frottement avec la courbure, et permet de l'expliquer à partir des trois paramètres statiques suivants : la densité surfacique de l'eau, la rugosité de la paroi et la commensurabilité entre les structures de la paroi et de la première couche d'eau à l'interface. En résumé, notre étude a permis une compréhension détaillée du frottement de l'eau dans les CNT, qui explique l'origine de sa valeur extrêmement basse.

Ce travail de thèse présente les résultats obtenus lors de l'étude des mécanismes élémentaires à l'origine de la forte conduction protonique mesurée dans le cas de clathrates hydrates d'acides forts. Une méthodologie combinant diffusion neutronique, résonance magnétique nucléaire et simulation de dynamique moléculaire "ab-initio" a permis de modéliser les différents processus dynamiques impliqués, se produisant sur des temps allant de la nanoseconde à la femtoseconde. Le modèle proposé explique la forte conduction de ces systèmes aqueux par la délocalisation à longue distance de leurs protons résultant d'un mécanisme de type Grotthuss gouverné par la relaxation des molécules aqueuses environnant les protons en excès.

Ce travail se place dans le cadre de la recherche de céramiques susceptibles de fonctionner à plus hautes température que la zircone yttriée, le système le plus employé actuellement pour constituer la couche isolante des barrières thermiques de turbines, aéronautiques ou terrestres. Une analyse des critères auxquels doit répondre une telle céramique a conduit à choisir la famille des perovskites, et, en conclusion de calculs de conductivité thermique par dynamique moléculaire, à sélectionner BaMg1/3Ta2/3O3 (BMT), un composé dont le point de fusion est supérieur à 2900°C. Un mode d'élaboration par voie solide a été développé pour obtenir cet oxyde sous forme dense. En guise de référence, des matériaux denses de zircones yttriées complètement stabilisées ont également été élaborés. Ces deux oxydes ont ensuite été caractérisées expérimentalement : structure par diffraction de rayons X, conductivité thermique jusqu'à 1200°C à partir de la mesure de la diffusivité thermiques par méthode flash laser, coefficient de dilatation entre 200 et 1200°C. Une étu de du gravage thermique de joints de grains, avec suivi par microscopie à force atomique du profil de joints après traitements entre 1100°C et 1400°C, a permis dans certains cas de déterminer le coefficient de diffusion en surface. Il ressort de cette étude que, si la perovskite BMT possède un ensemble de propriétés intéressantes pour constituer une barrière thermique : stabilité structurale, conductivité thermique à 1200°C du même ordre que celle de la zircone yttriée (autour de 2 W.m-1.K-1), coefficient de dilatation élevé (11.10-5 /K entre 200 et 1200°C), des phénomènes de sublima tion sont susceptibles de perturber la stabilité de couches à très hautes températures.

Ce travail concerne l'analyse structurale des liquides associés comme l'eau et les alcools et leur mélanges. Nous sondons par la Dynamique Moléculaire la micro-structure de ces liquides. A partir du calcul des fonctions de corrélations et des facteurs de structures associés, ainsi que d'un parametre d'ordre effectifs, nous proposons une vision consistente de la microhétérogénéité au sein des liquides macroscopiquement homogénes. Cette analyse nous permet de distinguer entre la micro-structure dans les liquides purs associés, de celle de micro-ségrégation dans leurs mélanges binaires, alors que le mécanisme commun est bien la liaison hydrogéne. Celle-ci structure différamment les sites partiels concernés (hydrogéne et oxygéne), tandis que les sites inertes méthyls sont purement désordonnés. Ainsi, la micro-hétérogénéité apparait comme une propriéte universelle des mélanges de liquides associés. Ce type d'ordre local n'appartient pas tout-é-fait la classe du désordre, pas plus qu'é celle de l'ordre global. Il apparait donc comme une nouvelle forme d'ordre et défie nos méthodes pour le mettre en évidence, tant du point de vue expérimental que théorique.

L'hydratation des trications lanthanide (Ln3+) est simulée par dynamique moléculaire classique traitant explicitement de la polarisation suivant une méthode qui diminue de manière considérable le temps de calculs par rapport à la résolution auto-cohérente habituelle. Différents potentiels d'interaction La3+/OH2 sont testés, conduisant au choix d'un potentiel de type Buckingham paramétré à partir de calculs ab initio (MP2). Ce potentiel est, ensuite, extrapolé aux autres lanthanides en se basant sur la variation des rayons ioniques au sein de la série. Les résultats de simulations permettent de reproduire les résultats expérimentaux fiables (distances EXAFS) et la variation, de type sigmoïde (en S), du nombre de coordination, passant de 9 pour La3+ à 8 pour Lu3+. Cette variation s'explique par la variation linéaire du DrG0 (9,298) en fonction du numéro atomique . Quelques résultats sont abordés sur Co2+, des simulations de dynamique moléculaire Car-Parrinello, la reconstruction de spectres EXAFS à partir de résultats de simulations de dynamique<br />moléculaire, et la complexation de La3+ par OH− en solution aqueuse.

Les préoccupations énergétiques et environnementales actuelles ont fait du retraitement des déchets nucléaires un enjeu scientifique et économique majeur dans de nombreux pays. Une des voies de retraitement envisagée concerne l'extraction sélective des actinides mineurs trivalents An (Am3+, Cm3+) du reste des lanthanides Ln présents dans le combustible nucléaire usé. Pour cela, des ligands azotés sont actuellement testés: l'origine de leur sélectivité pour les actinides mineurs est encore mal identifiée mais pourrait venir de phénomènes de covalence accrus avec les actinides mineurs (III) par rapport aux lanthanides(III). Dans cette thèse, nous étudions la covalence dans la liaison actinide-ligand par des calculs de DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité), et ce en trois temps: étude avancée de la nature de la liaison métal-ligand, caractérisation spectroscopique de la covalence et premiers tests de dynamique moléculaire ab initio pour de futures études en solvant. Pour cela, nous appliquons des méthodes jusque là assez peu utilisées sur les complexes trivalents d'actinides (méthodes topologiques, TDDFT, LDDFT, dynamique moléculaire ab initio). Nous avons pu établir que la sélectivité de l'extractant BTP, le plus efficace pour la séparation An/Ln, provenait notamment d'un renforcement de la covalence dans la liaison An-BTP par rapport à la liaison Ln-BTP. Ceci n'avait jamais pu être montré auparavant, tant au niveau expérimental que théorique.

Dans cette thèse, l'étude des liquides est envisagée d'un point de vue théorique et expérimental. La diffusion de neutrons permet l'investigation des propriétés structurales et dynamiques des liquides. Sur le plan théorique, les simulations par dynamique moléculaire sont d'un grand attrait car elles donnent accès aux positions et vitesses des atomes ainsi qu'aux forces qu'ils exercent entre eux. Elles permettent aussi de calculer les corrélations spatiales et temporelles, aussi mesurées par diffusion de neutrons. Par conséquent, les résultats de simulations par dynamique moléculaire et d'expériences de diffusion de neutrons peuvent être comparés afin d'améliorer notre compréhension de la structure et de la dynamique des liquides. <br /><br />Toutefois, l'extraction de données fiables à partir des expériences de diffusion de neutrons étant délicate, nous proposons de simuler l'expérience dans son ensemble, c'est-à-dire l'instrument et l'échantillon, afin de mieux comprendre et évaluer l'impact des différentes contributions parasites (absorption, diffusion multiple associée à la diffusion élastique et inélastique, résolution instrumentale). Cette approche, dans laquelle l'échantillon est décrit par ses caractéristiques structurales et dynamiques calculées par dynamique moléculaire, est présentée et testée dans un premier temps sur des systèmes modèles isotropes.<br /><br />Par la suite, le germanium liquide est étudié par diffusion inélastique des neutrons ainsi que par dynamique moléculaire classique et ab initio. Ceci permet ensuite de simuler l'expérience réalisée et d'évaluer l'influence sur le signal détecté des contributions de l'instrument et de l'échantillon.

Ce document traite des aspects différents de la modélisation moléculaire d'une protéine de la matrice extracellulaire. Le domaine de signature des thrombospondines est étudié en détail dans ce document en faisant appel aux champs variés de la science. La complexité de ce domaine nécessite l'utilisation des approches de la mécanique quantique moléculaire en plus de la dynamique moléculaire classique. En reliant les deux approches un nouveau algorithme a été développé afin d'attribuer des charges partielles à partir des résultats obtenus par des méthodes ab-initio. Pour implémenter cet algorithme d'une façon efficace, les nouvelles méthodes de la programmation massivement parallèle ont été utilisées qui nous permettent entre autres de faire tourner cet algorithme sur les procsesseurs graphiques. Nous avons également utilisé et développé des nouvelles méthodes de la visualisation moléculaire rapprochant l'art à la science. En plus, de ces développements nous avons obtenus des résultats intéressants sur la dynamique du domaine de signature. Nous avons pu identifier les ions échangeables de ce domaine. Nous avons vérifié et élargie les modèles existants de la thrombospondine dans des concentrations faibles de calcium. En utilisant la dynamique moléculaire nous avons également évalué des sites importants de fixations pour le développement de nouveaux médicaments contre le cancer.

Ce travail concerne l'étude de monocouches auto-assemblées (SAMs) sur l'or par simulation moléculaire. Des SAMs électroactives formées de chaines ferrocenylalcanethiols et alcanethiols et des SAMs constituées de β-cyclodextrines immobilisées sur des surfaces pouvant donner lieu à la formation de complexes d'inclusion à l'interface ont été étudiées. L'objectif était d'obtenir des grandeurs macroscopiques qui soient directement comparables aux grandeurs expérimentales. Pour cela, des simulations de dynamique moléculaire ont été couplées à des calculs de perturbation thermodynamique afin d'obtenir des grandeurs rédox et des propriétés thermodynamiques d'association. La reproduction de grandeurs expérimentales a dans un premier temps permis de valider les méthodologies de simulation et les champs de forces utilisés. Ceci a ensuite conduit à envisager la simulation moléculaire comme une technique prédictive pour l'étude de nouveaux systèmes. Les grandeurs macroscopiques obtenues ont pu être interprétées grâce à une caractérisation structurale et énergétique des processus mis en jeu.