Les simulations moléculaires sont devenues un outil essentiel en biologie, chimie et physique. Malheureusement, elles restent très coûteuses. Dans cette thèse, nous proposons des algorithmes qui accélèrent les simulations moléculaires en regroupant des particules en plusieurs objets rigides. Nous étudions d’abord plusieurs algorithmes de recherche de voisins dans le cas des grands objets rigides, et démontrons que les algorithmes hiérarchiques permettent d’obtenir des accélérations importantes. En conséquence, nous proposons une technique pour construire une représentation hiérarchique d’un graphe moléculaire arbitraire. Nous démontrons l’usage de cette technique pour la mécanique adaptative en angles de torsion, une méthode de simulation qui décrit les molécules comme des objets rigides articulés. Enfin, nous introduisons ARPS – Adaptively Restrained Particle Simulations (“Simulations de particules restreintes de façon adaptative”) – une méthode mathématiquement fondée capable d’activer et de désactiver les degrés de liberté en position. Nous proposons deux stratégies d’adaptation, et illustrons les avantages de ARPS sur plusieurs exemples. En particulier, nous démontrons comment ARPS permet de choisir finement le compromis entre précision et vitesse, ainsi que de calculer rapidement des proprietésstatiques d’équilibre sur les systèmes moléculaires. / Molecular simulations have become an essential tool in biology, chemistry and physics. Unfortunately, they still remain computationally challenging. In this dissertation, we propose algorithms that accelerate molecular simulations by clustering particles into rigid bodies.We first study several neighbor-search algorithms for large rigid bodies, and show that hierarchy-based algorithms may provide significant speedups. Accordingly, we propose a technique to build a hierarchical representation of an arbitrary molecular graph. We show how this technique can be used in adaptive torsion-angle mechanics, a simulation method that describes molecules as articulated rigid bodies. Finally, we introduce ARPS – Adaptively Restrained Particle Simulations – a mathematically-grounded method able to switch positional degrees of freedom on and off. We propose two switching strategies, and illustrate the advantages of ARPS on various examples. In particular, we show how ARPS allow us to smoothly trade between precision and speed, and to efficiently compute correct static equilibrium properties on molecular systems.

L'interprétation des expériences de relaxométrie RMN nécessite une modélisation précise des interactions entre le noyau étudié et son environnement. Pour un noyau quadrupolaire, l'interaction entre le gradient du champ électrique (EFG) émis par l'environnement avec le quadruple électrostatique du noyau est prépondérante. Notre travail a porté sur le développement du calcul des temps de relaxation RMN pour ces noyaux par simulation moléculaire. Nous nous sommes intéressés à la relaxation d'ions mono-atomiques en phase condensée à travers deux systèmes simples et réalistes : des solutions aqueuses d'électrolytes et des verres de silicate de sodium. L'EFG dé aux électrons de l'ion est obtenu en calculant la réponse du nuage électronique grâce à des calculs quantiques combinés à une récente méthode pour reconstruire la contribution des électrons de cœur. L'EFG dû à l'environnement est obtenu à partir d'une simulation moléculaire où les interactions sont décrites par un champ de force polarisable nouvellement développé. Les temps de relaxation obtenus en combinant ces deux contributions reproduisent correctement les résultats expérimentaux. Les simulations moléculaires nous permettent aussi d'extraire les mécanismes microscopiques. Pour les ions dans l'eau à dilution infinie, nous avons étudié les propriétés statistiques et dynamiques des fluctuations de l'EFG. Nous avons montré en particulier le rôle fondamental des fluctuations de densité de l'eau dans la première sphère de solvatation de l'ion. Cette thèse ouvre la voie à une meilleur compréhension des processus de relaxation RMN des ions mono-atomiques quadrupolaires dans des systèmes simples ou complexes. / Interpreting NMR relaxometry experiments requires an accurate modeling of interactions between the nucleus under study and its environment. For a quadrupolar nucleus, the interaction between the electric field gradient (EFG) arising from the environment and the electrostatic quadrupole of the nucleus is preponderant. The present work deals with a new method to compute NMR relaxation times for such nuclei with molecular simulations. We consider the relaxation of monoatomic ions in condensed matter through two simple and realistic systems: aqueous electrolytes and sodosilicate glasses. The EFG due to electrons around the ion is obtained by computing the electronic response with quantum calculation combined with a new method to obtain the contribution of core electrons. The EFG due to the environment is obtained from a molecular simulation where interactions are described using a recently developed polarisable force field. NMR relaxation times obtained by combining both these contributions compare well with experimental data. Molecular simulations allow us to highlight the microscopic mechanisms. For ions in water at infinite dilution, we studied the statistical and dynamical properties of EFG fluctuations. We notably demonstrated the primary role of water density fluctuations in the first solvation shell around the ion. This thesis opens the way for a better understanding of the mechanism behind the NMR relaxation of monoatomic and quadrupolar ions in simple and complex systems.

Le stockage géologique du carbone dans les veines de charbon est une solution transitoire pour lutter contre le réchauffement climatique. La faisabilité de ce stockage à un coût abordable reste incertaine, en particulier parce que l'injection de dioxide de carbone dans les veines de charbon est lente. Les projets pilotes ont montré que la perméabilité du réservoir diminue lors de l'injection, suite au gonflement du charbon induit par l'adsorption préférentielle du dioxyde de carbone par rapport au méthane présent naturellement. Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude de ce gonflement. Un premier travail théorique a consisté à étendre les équations constitutives de poromécanique classique dans les cas où l'adsorption sur des surfaces ou dans des micropores devient significative. Nous avons montré que le comportement poromécanique du solide ne peut être compris que si la dépendance de l'adsorption en fonction de la déformation du milieu poreux est connue. Le couplage entre adsorption et déformation est peu étudié dans la littérature et difficile à mesurer expérimentalement. Dans ce travail, nous avons utilisé la simulation moléculaire qui permet facilement de contrôler indépendamment la pression du fluide adsorbé et la déformation du milieu poreux. A l'aide de simulations moléculaires d'adsorption dans des systèmes modèles unidimensionnels, nous avons validé les nouvelles équations consitutives. Nous avons montré également que l'adsorption peut dépendre de la déformation de façon complexe et qu'elle est très sensible à la structure des micropores. Les résultats de simulations moléculaires d'adsorption dans un modèle moléculaire réaliste de la matrice organique du charbon nous ont permis de montrer que le gonflement du charbon en présence de fluide peut être expliqué par l'adsorption dans les micropores, mais pas dans les mésopores. Nous avons étudié numériquement le couplage entre adsorption et déformation dans le charbon. Le gonflement estimé en associant les simulations moléculaires d'adsorption aux nouvelles équations constitutives de poromécaniques est en bon accord avec les mesures expérimentales. De même, nous avons simulé l'adsorption de mélanges de dioxide de carbone et de méthane dans le charbon à des températures et pressions représentatives des conditions souterraines. Le résultat de ces simulations a permis d'estimer le gonflement différentiel durant l'injection de carbone pour des veines de charbon à différentes profondeurs. / Pas de résumé en anglais

Mass transfer intervening during the process of immersion influences the final composition of the product. These transfers primarily depend on the size of the immersed products, as well as temperature, the concentration and the nature of the solution of immersion. The main objective of this work is to study the mass transfer phenomena (water loss and solid gain) in solid/liquid system constituted of vegetable product (eggplant) immerged in salt solution. We determined the kinetic studies of eggplant in different salts solutions with two concentrations (saturation and 20%) at 3°C. The physicochemical properties of solution and salt such as molar concentration, molecular weight and ionic type affected the mechanism of water loss and solid gain. Knowledge about interaction ions/vegetable pectin is important for new product formulation. Determination of partition coefficient of ion in equilibrium system showed that the main physicochemical properties of ions and solution are ionic radius, electronegativity, ionic force and molar concentration. Mathematical predictive model was developed to predict the partition coefficient of ions in food/ solution system. Molecular dynamics simulations using a dynamic force field have been carried out to investigate the absorption of ions (K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-) in pectin/water/ion/aqueous solution system. Four systems were used. The results showed that the ionic type (cation and anion) influence the type and number of interactions between pectin-ion and water-ion and then offered an explicit description transfer phenomena and distribution of ions in the system solid/liquid / Les transferts de matière intervenant au cours du procédé d’immersion dépendent essentiellement de la taille des produits immergés, la température, la concentration et la nature de la solution d'immersion. L’objectif principal de ce travail porte sur l’étude des transferts dans un système solide/liquide constitué d’un produit végétal (aubergine) et d’une solution saline. Afin de parvenir à une bonne maîtrise de ces paramètres, les études cinétiques ont été conduites à 3°C sur des aubergines immergées dans des solutions salines avec deux concentrations. Les propriétés des solutions et des sels telles que la concentration molaire, la masse molaire et surtout la nature ionique influencent le mécanisme de perte et de gain. Les connaissances sur les interactions ions/pectines végétaux sont importants pour la formulation de nouveaux produits La détermination du coefficient de partage des ions à l’équilibre dans le système aubergine/solution ont montré que les principales propriétés des ions et des solutions influençant le coefficient de partage sont le rayon ionique, l’électronégativité, la force ionique et la concentration molaire. Un modèle mathématique a permis de prédire le coefficient de partage des ions dans ce système. Dans le but d’expliquer l’absorption des ions par la phase solide, une simulation par dynamique moléculaire a été menée sur un système pectine-eau-sels. Quatre systèmes ont été utilisés. Les résultats obtenus ont montré que la nature ionique influencent la nature et le nombre d’interaction entre pectine-ion et eau-ion et donc offrent une description explicite des phénomènes de transferts et distribution des ions dans le système solide/liquide

Ce travail est une contribution à la compréhension des performances de matériaux hybrides poreux de type MOFs pour le captage de benzène, dans le cadre de la lutte contre les émissions de Composés Organiques Volatils (COVs) à partir de procédés basés sur l'adsorption d'effluents gazeux. Dans ce but, nous avons couplé diverses techniques expérimentales (spectroscopie d'impédance complexe, diffraction des rayons X, manométrie d'adsorption, …) à des simulations moléculaires (calculs basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité, Monte Carlo ou Dynamique Moléculaire) pour étudier ces matériaux en termes de capacité et de mécanisme d'adsorption. Différentes familles de MOFs ont été sélectionnées afin d'analyser l'impact de diverses caractéristiques de ces matériaux, comme la flexibilité du réseau, la présence de cations extra-réseau et la nature chimique des ligands organiques, sur leurs propriétés d'adsorption de benzène. Par ailleurs, l'eau étant souvent considérée comme un facteur limitant lors de l'adsorption sélective d'une espèce à partir d'effluents gazeux chargés d'humidité, nous avons également envisagé l'étude de cet adsorbat seul, avant d'explorer la co-adsorption de mélanges benzène/eau dans des proportions différentes. Une rationalisation des données nous a permis de conclure que certains des matériaux explorés présentent une sélectivité benzène/eau intéressante pour envisager leur utilisation potentielle dans le cadre du captage de traces. / The Metal Organic Frameworks (MOFs), a recent class of hybrid porous solids, appears as valuable candidates for various applications related to their sorption abilities. The optimization of their performances requires a control of the parameters that govern the adsorption process, including the confined species/MOF interactions and the synergic dynamics of the system. In this context, experimental tools (Complex Impedance Spectroscopy, X Ray Diffraction, volumetric adsorption…) were combined with molecular simulations (Density Functional Theory, Monte Carlo and Molecular Dynamics calculations) to explore the benzene adsorption of MOFs in terms of capacity and microscopic mechanism. Different series of MOFs were selected to address the impact of various features, including the lattice flexibility, the presence of extra-framework cations and the ligand functionalization, on their adsorption performances. Benzene and water were considered as adsorbents separately, before exploring the co-adsorption of various benzene/water mixtures. The rationalization of the data allowed us to understand why some of the selected solids, showing interesting benzene/water selectivity, are likely to be used for the capture of benzene traces in humid conditions.

Ce travail concerne la modélisation de propriétés interfaciales d'alcanes linéaires confinés dans des pores plan/plan, telles que la quantité adsorbée ou la tension interfaciale par la simulation moléculaire de type Monte Carlo. Les calculs ont été réalisés dans les conditions thermodynamiques variées allant de pressions et températures très faibles jusqu'à des valeurs élevées rencontrées typiquement dans les réservoirs. Nous avons mené une étude de sensibilité concernant trois potentiels d'interaction classiquement utilisés, regardé l'influence du confinement géométrique et des conditions thermodynamiques sur le méthane confiné, calculé la chaleur isostérique d'adsorption et mis en évidence le phénomène de condensation capillaire. Les résultats d'isotherme d'adsorption obtenus par simulation ont été confrontés avec succès à des résultats expérimentaux. Cette comparaison a également permis de mettre en évidence l'importance de la caractérisation du milieu poreux lors de l'estimation de l'isotherme d'adsorption. Le comportement d'alcanes linéaires de plus longue chaine a également été étudié.

L'étude de la perméation de gaz dans les polymères fait l'objet d'enjeux industriels importants. L'objectif de ce travail est de mettre au point un modèle prédictif de perméation de gaz dans le polyéthylène par la simulation moléculaire. <br /><br />La modélisation moléculaire des molécules à longue chaîne, comme les polymères, est difficile du fait des nombreux degrés de liberté qu'il faut échantillonner. Cela a nécessité l'implémentation de plusieurs mouvements Monte Carlo spécifiques aux polymères dans le code de simulation. Afin de reproduire au mieux les conditions rencontrées lors des expériences de perméabilité, l'ensemble osmotique a également été implémenté. <br /><br />Des calculs de solubilité, en Monte Carlo, et de diffusion, en dynamique moléculaire, de gaz dans le polyéthylène fondu ont été menés afin de valider les méthodes et les potentiels utilisés. Les résultats obtenus pour des gaz comme le méthane, le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène, sont en bon accord avec les données expérimentales disponibles. <br /><br />A basse température, le polyéthylène est semi-cristallin mais seule la phase amorphe peut être modélisée. L'influence de la phase cristalline, imperméable aux gaz, sur la phase amorphe a été prise en compte dans l'ensemble osmotique, au moyen d'une contrainte isotrope différente de la pression. La détermination de la valeur de cette contrainte s'est basée sur des données expérimentales de solubilité du dioxyde de carbone dans le polyéthylène.

Le stockage géologique du carbone dans les veines de charbon est une solution transitoire pour lutter contre le réchauffement climatique. La faisabilité de ce stockage à un coût abordable reste incertaine, en particulier parce que l'injection de dioxide de carbone dans les veines de charbon est lente. Les projets pilotes ont montré que la perméabilité du réservoir diminue lors de l'injection, suite au gonflement du charbon induit par l'adsorption préférentielle du dioxyde de carbone par rapport au méthane présent naturellement. Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude de ce gonflement. Un premier travail théorique a consisté à étendre les équations constitutives de poromécanique classique dans les cas où l'adsorption sur des surfaces ou dans des micropores devient significative. Nous avons montré que le comportement poromécanique du solide ne peut être compris que si la dépendance de l'adsorption en fonction de la déformation du milieu poreux est connue. Le couplage entre adsorption et déformation est peu étudié dans la littérature et difficile à mesurer expérimentalement. Dans ce travail, nous avons utilisé la simulation moléculaire qui permet facilement de contrôler indépendamment la pression du fluide adsorbé et la déformation du milieu poreux. A l'aide de simulations moléculaires d'adsorption dans des systèmes modèles unidimensionnels, nous avons validé les nouvelles équations consitutives. Nous avons montré également que l'adsorption peut dépendre de la déformation de façon complexe et qu'elle est très sensible à la structure des micropores. Les résultats de simulations moléculaires d'adsorption dans un modèle moléculaire réaliste de la matrice organique du charbon nous ont permis de montrer que le gonflement du charbon en présence de fluide peut être expliqué par l'adsorption dans les micropores, mais pas dans les mésopores. Nous avons étudié numériquement le couplage entre adsorption et déformation dans le charbon. Le gonflement estimé en associant les simulations moléculaires d'adsorption aux nouvelles équations constitutives de poromécaniques est en bon accord avec les mesures expérimentales. De même, nous avons simulé l'adsorption de mélanges de dioxide de carbone et de méthane dans le charbon à des températures et pressions représentatives des conditions souterraines. Le résultat de ces simulations a permis d'estimer le gonflement différentiel durant l'injection de carbone pour des veines de charbon à différentes profondeurs.

L'adsorption des gaz dans les solides micro/mésoporeux et la solubilisation des gazdans les liquides sont des phénomènes physiques très bien connus. En revanche, lasolubilisation des gaz dans un liquide confiné à l'intérieur d'un solide (système hybride) estun domaine très peu étudié, malgré des applications importantes, notamment dans l'extractiondu pétrole, les ciments ou encore les réacteurs catalytiques triphasiques. Nous avons montréexpérimentalement que la solubilité du CO2 et H2 augmente quand la taille de pores du solideest de l'ordre du nanomètre. Un des objectifs de cette thèse était d'optimiser le couple solidesolvant(système hybride) et les conditions de température et de pression pour augmenter lestockage de H2 pour les applications de stockages. Dans le système Aérogel/éthanol à 50 barset 0°C, la solubilité de H2 est 8,5 fois supérieure à la solubilité mesurée dans le liquide seul,représentant une masse de 6,2g d'hydrogène stocké par kg de solide. Le second objectif étaitde comprendre les paramètres clefs de ce phénomène apparent de " sursolubilité " dans lessystèmes hybrides. En comparant différents solides poreux (zeolithes, MOF, MCM, silice),nous avons montré le rôle majeur des propriétés d'interfaces. Les phénomènes desolubilisation ont été modélisés à l'échelle moléculaire par GCMC et validéesexpérimentalement. Il apparait que le mécanisme de sursolubilisation provient d'unestructuration en couche des molécules de solvants en interactions avec les parois dumésopore.

Le procédé de granulation en voie humide nécessite l'ajout d'un agent d’enrobage ou liant, typiquement composé d'agents tensioactifs, d'eau, de plastifiant et de charge hydrophobe. Cependant, dans les procédés de granulation en voie sèche, l'agent d’enrobage est ajouté sous la forme de fines particules solides. L’objectif de ce travail est double : d’une part, examiner le comportement des particules dans les systèmes secs et aqueux aux échelles microscopique et mésoscopique, et d’autre part, développer des méthodologies prédictives permettant de choisir le liant adéquat et formuler la bonne solution d’enrobage. Dans le cadre de cette étude, nous avons utilisées l'hydroxypropyl-méthylcellulose (HPMC) et la cellulose d'éthyle (EC) comme agents d’enrobage, polyvinylpyrrolidone (PVP) et la cellulose microcristalline (MCC) généralement utilisés comme liants, l'acide stéarique (SA) qui est une charge hydrophobe, et le polyéthylène glycol (PEG) comme plastifiant. Tous ces matériaux sont largement utilisés dans les industries alimentaires et pharmaceutiques. La réussite d’une granulation dépend de l’affinité entre les particules primaires et le liant. Afin de prédire l'affinité liant-substrat en milieu sec et en milieu aqueux, nous avons comparé deux approches; la première est basée sur le travail de l'adhésion alors que la seconde s’appuie sur le concept de résistance à la traction idéale. L’équation de résistance à la traction idéale a été étendue aux systèmes ternaires dans le but de l’appliquer pour la granulation en milieu aqueux. Les approches développées ont été ensuite confrontées aux données expérimentales sur différent systèmes (composées de PVP, MCC, HPMC, SA, EC, PEG et l'eau). Nous avons ainsi trouvé que l’approche basée sur le travail d'adhésion semble donner de meilleures prédictions des affinités. Les deux approches prédisent que le HPMC est un bon liant pour le MCC. Les résultats indiquent également que le PEG a une bonne affinité avec le HPMC et le SA. Nous avons ensuite étudié la structure des agglomérats formés dans les formulations colloïdales utilisées dans les procédés d’enrobage. Pour ce faire, nous nous sommes appuyés sur des analyses expérimentales et des simulations mésoscopiques. Ces dernières reposent sur l’utilisation de la méthode de dynamique des particules dissipatives (DPD) dans laquelle les composés sont décrits comme un ensemble de billes souples (approche « coarse-grain ») interagissant selon le modèle de Flory-Huggins. Les interactions répulsives entre les billes ont été évaluées en utilisant le paramètre de solubilité (δ) calculé par simulation moléculaire tout-atome. Les résultats de simulation DPD ont été comparés aux résultats expérimentaux obtenus par plusieurs voies : cryogénique-MEB, analyse de distribution de taille de particule et par la technique DSC. Les résultats de la simulation DPD montrent que le polymère HPMC est un meilleur agent stabilisant pour le SA que le PVP et le MCC. En outre, HPMC est capable de recouvrir la particule de SA d'une couche épaisse et d’y pénétrer en profondeur, empêchant ainsi l’agglomération et la croissance des cristaux de SA. Néanmoins, HPMC est incapable de stabiliser les particules de SA lorsque celles-ci sont en quantités élevées (supérieurs à 10% (w/w)). Nous constatons également que le PEG se diffuse à l'intérieur des chaînes de HPMC entrainant l’extension de ce dernier, formant ainsi un polymère composite lisse. Les résultats expérimentaux montrent des tendances similaires; l’analyse de la distribution de taille de particule indique qu’en présence de HPMC, pour de faible pourcentages de SA (au-dessous de 10% (w/w)), la majorité des particules de SA sont inférieures à 1 μm de diamètre. Les images MEB révèlent que HPMC entoure les cristaux de SA avec un film texturé et ancre sur leur surface. / Wet granulation process requires the addition of a coating agent or binder, typically composed of surfactants, water, plasticizers and fillers. In dry granulation however, the coating agent is added to the system in the form of fine solid particles. Our goals are to investigate the particles behaviour and agglomeration mechanism in dry and aqueous systems at the micro and meso scales, and also, to develop predictive methodologies and theoretical tools of investigation allowing to choose the adequate binder and to formulate the right coating solution. In this study we chose materials widely used in food and pharmaceutical industries, including; coating agents such as Hydroxypropyl-methylcellulose (HPMC) and Ethyl cellulose (EC), binders such as Polyvinylpyrrolidone (PVP) and Microcrystalline cellulose (MCC), hydrophobic filler such as Stearic acid (SA) and plasticizer such as Polyethylene glycol (PEG). A successful granulation requires good affinity between host and guest particles. In this context, in the first part of this work, two approaches to predict the binder-substrate affinity in dry and in aqueous media were compared; one based on the work of adhesion and the other based on the ideal tensile strength. The concept of ideal tensile strength was extended to ternary systems and applied for granulation in aqueous media. The developed approaches were thereafter tested for various systems (composed of PVP, MCC, HPMC, SA, EC, PEG and water) and compared to experimental observations. Approaches yielded results in good agreement with the experimental observations, but the work of adhesion approach might give more accurate affinity predictions on the particles affinity than the ideal tensile strength approach. Both approaches predicted that HPMC is a good binder for MCC. Results also indicated that PEG has a good affinity with HPMC and SA. In a second part of our work, we used mesoscale simulations and experimental techniques to investigate the structure of agglomerates formed in aqueous colloidal formulations used in coating and granulation processes. For the simulations, dissipative particle dynamics (DPD) and a coarse-grained approach were used. In the DPD method, the compounds were described as a set of soft beads interacting according to the Flory-Huggins model. The repulsive interactions between the beads were evaluated using the solubility parameter (δ) as input, where, δ was calculated by all-atom molecular simulations. The mesoscale simulation results were compared to experimental results obtained by Cryogenic-SEM, particle size distribution analysis and DSC technique. According to the DPD simulations, HPMC polymer is a better stabilizing agent for SA than PVP and MCC. In addition, HPMC is able to cover the SA particle with a thick layer ant to adsorb in depth into its inner core, preventing SA agglomeration and crystal growth. But, for high amounts of SA (above 10% (w/w)), HPMC is unable to fully stabilize SA. We also found that PEG polymer diffuses inside HPMC chains thereby extending and softening the composite polymer. Experimental results presented similar trends; particle size distribution analysis showed that in the presence of HPMC, for low percentages of SA (below 10% (w/w)), the majority of SA particles are below 1 μm in diameter. SEM images revealed that HPMC surrounds SA crystals with a hatching textured film and anchors on their surface.