Ce travail est consacré à l’étude par simulation de dynamique moléculaire l’effet d’une perturbation contrôlée, utilisant des molécules photoisomérisables sur les effets de taille finie et de surface dans les matériaux amorphes. Le présent modèle utilise le potentiel de Lennard-Jones et l’algorithme de Verlet pour résoudre les équations du mouvement. Nous avons réalisé plusieurs boîtes de simulation de tailles différentes dans le but d’étudier l’effet de la taille de la boîte sur les propriétés du matériau. Nous avons utilisé ces boîtes pour simuler le matériau à différentes températures, le matériau était avec un chromophore dilué à l’intérieur, le chromophore s’isomérisant ou non,et avec une période courte ou longue. L’étude utilise des simulations à l’échelle atomique par dynamique moléculaire où l’énergie produite par le processus de photo-isomérisation est absorbée par un thermostat,après sa dégradation thermique à l’intérieur de la matrice hôte. Par une modification continue de la forme des photochromes trans vers cis et inversement, une photo isomérisation est introduite de manière périodique. Dans ces conditions, nous avons montré que ce modèle reproduit bien les propriétés statiques et dynamiques d’un matériau amorphe. Nous avons trouvé que des hétérogénéités dynamiques apparaissent dans un liquide surfondu pour une température qui égale 120K. Nous avons constaté que le temps de relaxation diminue en même temps que la force des mouvements coopératifs lorsque la taille du système est devient plus petite. Ces résultats suggèrent la présence de deux mécanismes physiques concurrents différents avec différentes échelles de longueur. / This work is devoted to the study by molecular dynamics simulation the effect of a controlled disturbance, using photo-isomerizable molecules on the finite size effects and surface in amorphous materials. This model uses the potential of Leonard Jones and the Verlet algorithm to solve the equations of motion.We realized several simulation boxes of different sizes in order to study the effect of the size of the box on the material properties. We used these boxes to simulate the material at different temperatures, the material was diluted with a chromophore inside, the chromophore isomerized or not, and with a short or long period. The study uses simulations at the atomic scale molecular dynamics where the energy produced by the photoisomerization is absorbed by a thermostat after thermal degradation within the host matrix. By a continuous change in the form of photochromes trans tocis and vice versa, a photo isomerization is introduced periodically. Under these conditions, we have shown that this model reproduces well the static and dynamic properties of amorphous material. We found that dynamic heterogeneities appear in a supercooled liquid to a temperature equal to 120 K. We found that the relaxation time decreases along with the strength of cooperative movements when the system size is becoming smaller. These results suggest the presence of two different physical mechanisms competitors with different length scales

Le comportement en fluage isotherme de l'alliage M5® a été étudié à haute température dans le domaine biphasé (α+β). Une première approche consiste en l'identification des lois de fluage des phases α et β dans leur domaine monophasé respectif puis en l'extrapolation de ces lois dans le domaine biphasé. Cette approche ne permet malheureusement pas de reproduire le comportement expérimental. Une amélioration de ce modèle est développée dans cette étude en prenant en compte deux effets microstructuraux : (i) la taille de grains : des tailles de grains spécifiques contrôlées ont été obtenues en appliquant des traitements thermo-mécaniques au matériau. Des essais de fluage dans les domaines quasi-α et quasi-β ont ainsi mis en évidence un fort effet de la taille de grains, en particulier dans le régime de fluage diffusionnel. (ii) le contraste micro-chimique entre les phases α et β dans le domaine biphasé : d'après des calculs thermodynamiques et des analyses microstructurales, la phase β est enrichie en Nb et appauvrie en O (inversement pour la phase α). Des essais de fluage ont alors été mis en œuvre sur des alliages Zr-Nb-O dont les teneurs en Nb et O sont représentatives de chaque phase dans le domaine biphasé. Cette base expérimentale a permis de d'identifier de nouvelles lois de fluage pour les phases α et β. Ces lois ont été ensuite implémentées dans un modèle éléments finis afin de simuler le comportement du matériau biphasé. La morphologie 3D des phases (en particulier la germination de la phase β aux joints de grains α) est introduite explicitement dans les simulations afin de mettre en évidence son effet sur le comportement macroscopique. M5® est une marque déposée d'AREVA NP.

Cette thèse a pour but d'étudier les effets quantiques apparaissant pour des agrégats métalliques de très petite taille en raison de l'augmentation du ratio surface/volume et de la discrétisation de la structure électronique. Mettre en avant ces effets demande une très grande qualité de fabrication des nanoparticules étudiées, monodisperse dans le cas idéal. Nous fabriquons des nanostructures en encapsulant des agrégats d'argent générés par une source magnétron dans des matrices solides, comme la silice ou l'alumine. Cette technique nous permet de contrôler indépendamment la composition des particules, leur taille, et leur concentration. Un spectre de masse quadripolaire a été mis en place et utilisé comme un filtre en taille pour obtenir une distribution plus étroite et précise.Les échantillons ont été caractérisés par deux techniques complémentaires : par spectroscopie optique à transmission avec des mesures sur des ensembles de particules, et par spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) sur des particules uniques, réalisée dans un microscope électronique à balayage par transmission. Bien qu'utilisant deux outils conceptuellement différents, ces deux méthodes mesurent les résonances plasmoniques des particules. Ce travail a donc pour objectif de relier théoriquement et expérimentalement ces deux méthodes dans le but de comprendre comment les propriétés physiques de ces petits agrégats de métaux nobles sont affectées par les effets quantiques / The aim of this thesis is to study quantum effects appearing in very small metallic clusters caused by the increasing surface/volume ratio and the discretization of the electronic structure. Investigating effects such as size dependencies demand a very high quality of the studied nanoparticles, monodisperse in the ideal case. We fabricate nanostructures by embedding silver clusters generated in a magnetron source in solid matrices, such as silica or alumina. This technique gives us full and independent control over the particle composition, size and concentration. A quadrupole mass spectrometer is used as a size filter to obtain a more precise and narrow distribution.Samples have been characterized with two complementary methods: optical transmission spectroscopy of ensembles of particles and electron energy loss spectroscopy (EELS) on single particles using a scanning transmission electron microscope. Although these two tools are conceptually different, they both measure the plasmonic resonances of metal nanoparticles. The objective of this work is to link theory and experiment in these two methods in order to understand how the physical properties of these small noble metal clusters are affected by quantum effects

Le but de ce travail de thèse est l'étude de la dynamique de sphères de grande taille dans un écoulement fortement turbulent. Pour ce faire, nous avons développé une nouvelle technique optique permettant de suivre la dynamique à 6 dimensions - position et orientation absolues - de plusieurs particules dans un écoulement complexe. Bien que la taille des particules soit comparable à l'échelle intégrale de l'écoulement, nous trouvons que sa dynamique de rotation et de translation est intermittente. De plus, nous observons que la translation et la rotation sont reliées par la force de Magnus. La répartition statistique de l'accélération n'est pas gaussienne et l'échange d'énergie avec le fluide est gouverné par la théorie mathématique des grandes déviations. Nous trouvons que le diamètre influence fortement la manière dont la particule explore l'écoulement. Nous avons ensuite appliqué le suivi de position et d'orientation à une particule instrumentée. Ce système mesure en permanence l'accélération lagrangienne qu'il subit via un accéléromètre embarqué et émet l'information à travers une électronique radio fréquence. L'orientation absolue est nécessaire pour exprimer les signaux de l'accéléromètre et ceux du suivi optique dans un repère commun; cela nous permet de comparer rigoureusement les mesures issues de ces deux techniques indépendantes. À partir de ces résultats nous avons développé des méthodes pour inférer des propriétés de l'écoulement à partir des signaux d'accélération de la particule instrumentée.

Les effets de taille finie et de densité de particules sur leur dynamique Lagrangienne dans un écoulement turbulent ont été étudiés, dans ce travail de recherche. L'écoulement de choix est la turbulence de grille en soufflerie. Des bulles de savon, gonflée au gaz ont été utilisés comme particules, la densité est la taille de les quelles peuvent ajuster à souhait dans une gamme réalisable. Celles-ci sont injectées dans l'écoulement, et sont suivies de manière Lagrangienne, en se basant sur l'état de l'art en Vélocimétrie Doppler Acoustique. Pour un même configuration d'écoulement, les tailles et les densités de particules ont été varié à l'intérieur d'une gamme faisable. Pour chaque série de particules, la vitesse et l'accélération statistiques Lagrangienne ont été déterminées, après avoir enregistré quelques mille signaux de vitesses. Les résultats montrent que les PDFs de vitesse Lagrangienne sont Gaussiennes et : indépendantes de la taille et de la densité des particules ; et sont similaire aux PDFs des vitesses Eulérienne de l'écoulement porteur. Aucuns effets de taille et de densité n'ont été trouvés sur la PDF d'accélération normalisée. Par contre, ces effets sont dominant dans la variance d'accélération, qui pour les particules iso densité décroit dans une façon monotone avec la taille de particule. Par contre, pour les bulles lourdes ces effets de taille finie peut traduire ni à partir des modèle limite de point particule ni du cas de particule iso densité. La dynamique de toutes les séries étudiées a été trouvé intermittente. Le temps de forçage turbulente été calculé à partir de l'auto corrélation d'accélération qui ont été trouvé de n'est pas varié beaucoup et qui reste dans l'ordre de temps de kolmogorov par rapport aux temps de réponses de particules calculé normalement.

Ce travail a été développé dans le cadre du projet européen FACETS-ITN, dans le domaine des Neurosciences Computationnelles. Son but est d'améliorer la compréhension des réseaux de neurones stochastiques de taille finie, pour des sources corrélées à caractère aléatoire et pour des matrices de connectivité biologiquement réalistes. Ce résultat est obtenu par l'analyse de la matrice de corrélation du réseau et la quantification de la capacité de codage du système en termes de son information de Fisher. Les méthodes comprennent diverses techniques mathématiques, statistiques et numériques, dont certaines ont été importés d'autres domaines scientifiques, comme la physique et la théorie de l'estimation. Ce travail étend de précédents résultats fondées sur des hypothèses simplifiées qui ne sont pas réaliste d'un point de vue biologique et qui peuvent être pertinents pour la compréhension des principes de travail liés cerveau. De plus, ce travail fournit les outils nécessaires à une analyse complète de la capacité de traitement de l'information des réseaux de neurones, qui sont toujours manquante dans la communauté scientifique.

La rupture ductile des alliages métalliques survient suite à la nucléation, la croissance et la coalescence de microcavités. La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude des effets de forme et d'anisotropie plastique sur la phase de croissance des cavités. Dans un premier temps, nous implémentons numériquement le modèle de croissance de Madou et Leblond pour des cavités ellipsoïdales générales plongées dans un matériau isotrope dans un code de calcul par éléments finis, afin d'appliquer le modèle à des cas de rupture où les effets de forme sont importants. On montre que la prise en compte des effets de forme des cavités est nécessaire afin de reproduire la rupture ductile en cisaillement. Ce modèle est ensuite étendu au cas de l'anisotropie plastique, en s'inspirant des travaux de Monchiet et Benzerga. On dérive notamment un critère de plasticité macroscopique pour les matériaux anisotropes contenant des cavités ellipsoïdales générales, que nous validons par analyse limite numérique. La seconde partie de la thèse est dédiée à l'étude des effets de taille sur la rupture ductile des matériaux nanoporeux contenant des cavités sphériques ou sphéroïdales. Enfin, la troisième partie de la thèse est consacrée à l'étude des effets de forme et d'anisotropie plastique sur la phase de coalescence des cavités. Nous dérivons deux nouveaux critères de coalescence en couche que nous validons par analyse limite numérique. Cette étude nous permet de développer un nouveau critère permettant d'unifier les phases de croissance et coalescence. Enfin nous dérivons un critère de coalescence pour les matériaux anisotropes. / Ductile fracture of metallic alloys occurs by the nucleation, growth and coalescence of microvoids. In a first step, we study the influence of void shape effects and plastic anisotropy on the growth phase. we implement numerically in a finite element code the void growth model of madou and leblond for ellipsoidal voids embedded in an isotropic material, in order to apply the model to ductile fracture problems involving important void shape effects. We show that the consideration of void shape effects is necessary in order to reproduce shear-dominant ductile fracture. This model is then extended to plastic anisotropy, in the spirit of the models of monchiet and benzerga. In particular, we derive a macroscopic criterion for anisotropic materials containing general ellipsoidal voids, which is assessed by finite element limite analyses. In a second step, we study the effects of void size on the ductile fracture of nanoporous materials contenant spherical or spheroidal voids. The last part of the thesis is dedicated to the study of void shape effects and plastic anisotropy on the coalescence phase. We derive two new criteria of coalescence by internal necking, which are assessed numerically. Then, we derive a new criterion that permits to unify the growth and coalescence phases. Finally we study the influence of plasticy anisotropy on coalescence by internal necking.

Dans cette thèse, nous étudions la robustesse dans le contexte de la modélisation de systèmes complexes par les automates cellulaires. En effet, si l'on cherche à reproduire un comportement émergent à partir d'un modèle d'automate cellulaire, il nous semble nécessaire de se demander si les comportements observés sont bien le résultat d'interactions entre entités constituantes, ou bien s'ils dépendent d'une définition particulière du modèle. Nous allons ainsi être amenés à considérer la robustesse du modèle, à savoir la résistance de son comportement à de petites variations sur les attributs de sa définition. Dans un premier temps, nous montrons la pertinence de cette approche en considérant plusieurs définitions possibles d'une perturbation de la mise à jour globale et en les appliquant à une classe simple et représentative de modèles d'automates cellulaires, les Automates Cellulaires Elémentaires. Nous observons que, malgré le fait que nos perturbations soient proches et qu'une majorité des modèles considérés ne change pas de comportement, quelques cas particuliers montrent des changements qualitatifs du comportement que nous étudions plus en détail. Dans un second temps, nous appliquons cette approche en nous penchant sur un modèle particulier d'automate cellulaire, qui simule le phénomène de formation d'essaim à partir d'un modèle évolué d'automate cellulaire, le gaz sur réseau. Nous explorons la robustesse du comportement du modèle en considérant la perturbation de deux attributs du modèle, la forme de la grille cellulaire et la mise à jour globale, et en tirons les conclusions sur la relation entre l'observation du comportement et la définition précise du modèle / In this thesis, we study the role of robustness in the context of the modelling of complex systems by cellular automata. Indeed, if we consider a cellular automaton which aims at reproducing an emergent behaviour from a similar structure, we want to determine whether its observed dynamics are the result of the interaction of entities, or whether it depends a precise definition of the model. We thus consider the model's robustness, that is, the resistance of the behaviour to small perturbations on the model features. First, we show the relevance of this approach by considering several definitions of a perturbation of the global updating and by applying them to a simple and representative class of cellular automata, the Elementary Cellular Automata. We observe that, despite the fact that most models show little or no change between the different perturbations, some particular cases show qualitative changes that we study in detail. Second, we apply this approach to a particular model of cellular automata, which simulates a swarming behaviour based on a lattice-gas model. We then explore the model robustness by considering the pertubations of two of the model's attributes, the lattice shape and the global updating, and discuss the relationship between the observation of the behaviour and the precise definitions of the model

Ce travail a été développé dans le cadre du projet européen FACETS-ITN, dans le domaine des Neurosciences Computationnelles. Son but est d’améliorer la compréhension des réseaux de neurones stochastiques de taille finie, pour des sources corrélées à caractère aléatoire et pour des matrices de connectivité biologiquement réalistes. Ce résultat est obtenu par l’analyse de la matrice de corrélation du réseau et la quantification de la capacité de codage du système en termes de son information de Fisher. Les méthodes comprennent diverses techniques mathématiques, statistiques et numériques, dont certaines ont été importés d’autres domaines scientifiques, comme la physique et la théorie de l’estimation. Ce travail étend de précédents résultats fondées sur des hypothèses simplifiées qui ne sont pas réaliste d’un point de vue biologique et qui peuvent être pertinents pour la compréhension des principes de travail liés cerveau. De plus, ce travail fournit les outils nécessaires à une analyse complète de la capacité de traitement de l’information des réseaux de neurones, qui sont toujours manquante dans la communauté scientifique. / The brain is the most complex system in the known universe. Its nested structure with small-world properties determines its function and behavior. The analysis of its structure requires sophisticated mathematical and statistical techniques. In this thesis we shed new light on neural networks, attacking the problem from different points of view, in the spirit of the Theory of Complexity and in terms of their information processing capabilities. In particular, we quantify the Fisher information of the system, which is a measure of its encoding capability. The first technique developed in this work is the mean-field theory of rate and FitzHugh-Nagumo networks without correlations in the thermodynamic limit, through both mathematical and numerical analysis. The second technique, the Mayer’s cluster expansion, is taken from the physics of plasma, and allows us to determine numerically the finite size effects of rate neurons, as well as the relationship of the Fisher information to the size of the network for independent Brownian motions. The third technique is a perturbative expansion, which allows us to determine the correlation structure of the rate network for a variety of different types of connectivity matrices and for different values of the correlation between the sources of randomness in the system. With this method we can also quantify numerically the Fisher information not only as a function of the network size, but also for different correlation structures of the system. The fourth technique is a slightly different type of perturbative expansion, with which we can study the behavior of completely generic connectivity matrices with random topologies. Moreover this method provides an analytic formula for the Fisher information, which is in qualitative agreement with the other results in this thesis. Finally, the fifth technique is purely numerical, and uses an Expectation-Maximization algorithm and Monte Carlo integration in order to evaluate the Fisher information of the FitzHugh-Nagumo network. In summary, this thesis provides an analysis of the dynamics and the correlation structure of the neural networks, confirms this through numerical simulation and makes two key counterintuitive predictions. The first is the formation of a perfect correlation between the neurons for particular values of the parameters of the system, a phenomenon that we term stochastic synchronization. The second, which is somewhat contrary to received opinion, is the explosion of the Fisher information and therefore of the encoding capability of the network for highly correlated neurons. The techniques developed in this thesis can be used also for a complete quantification of the information processing capabilities of the network in terms of information storage, transmission and modification, but this would need to be performed in the future.

Dans cette thèse, nous explorons le comportement critiques de chaînes de spins gouvernées par des interactions à décroissance algébrique. Dans une première partie, nous étudions le diagramme de phase d'une chaîne de Potts en utilisant un algorithme multicanonique. Nous proposons une nouvelle méthode de détection de l'ordre des transitions de phase exploitant les points spinodaux. A l'aide de cette méthode, nous localisons la ligne séparant les transitions du premier et du second ordre avec une précision sans précédent, et mettons en évidence un effet de taille finie inhabituel. Dans une deuxième partie, nous introduisons une nouvelle méthode multicanonique intégrant un algorithme de mise-à-jour collective des spins. Cette méthode, extrêmement souple, étend considérablement l'intervalle de tailles simulables, et s'avère bien plus précise que les méthodes multicanoniques usuelles. Nous appliquons cette méthode à l'étude d'effets de taille finie dans le cadre de transitions du premier ordre : les résultats suggèrent fortement que les configurations correspondant à des phases en coexistence sont caractérisées par une dimension fractale dépendent du taux de décroissance de l'interaction. Dans un dernier chapitre, nous étudions une chaîne d'Ising régie par des interactions à longue portée en présence de champs aléatoires à distribution bimodale, et prouvons l'existence d'un point tricritique pour des interactions à décroissance lente.