Neste trabalho realizamos dois estudos independentes sobre a termodinâmica de modelos de água e o dobramento de proteínas em rede. / On this work we develop two independent studies on lattice models for water thermodynamics and protein folding.

Small devices capable of self-propulsion have potential application in areas of nanoscience where autonomous locomotion and programmability are needed. The specific base-pairing interactions that arise from DNA hybridisation permit the programmed assembly of matter and also the creation of controllable dynamical systems. The aim of this thesis is to use the tools of DNA nanotechnology to design synthetic active matter at the micro and nano scales. In the first section, DNA was used as an active medium capable of transporting information faster than diffusion in the form of chemical waves. DNA waves were generated experimentally using a DNA autocatalytic reaction in a microfluidic channel. The propagation velocity of DNA chemical waves was slowed down by creating concentration gradients that changed the reaction kinetics in space. The second section details the synthesis of chemically-propelled particles and the use of DNA as a 'programmable glue' to mediate their interactions. Janus micromotors were fabricated by physical vapour deposition and a wet-chemical approach was demonstrated to synthesise asymmetrical catalytic Pt-Au nanoparticles that function as nanomotors. Dynamic light scattering measurements showed nanomotor activity that depends on H₂O₂ concentration, consistent with chemical propulsion. Gold nanoparticles/Origami hybrids were assembled in 2D lattices of different symmetries arranged by DNA linkers. The third section details the design process and synthesis of nanomotors using DNA as a structural scaffold. 3D DNA Origami rectangular prisms were functionalised site-specifically with bioconjugated catalysts, i.e. Pt nanoparticles and catalase. Enzymatic nanomotors were also conjugated to various cargoes and their motor activity was demonstrated by Fluorescence Correlation Spectroscopy. In the final section, control mechanisms for autonomous nanomotors are studied, which includes the conformational change of DNA aptamers in response to chemical signals, as well as a design for an adaptive dynamical system based on DNA/enzyme reaction networks.

Mes travaux ont pour fil conducteur l'étude des fluctuations aux interfaces. Dans ce manuscrit je présente mes résultats sur les propriétés d' équilibre des colloi des aux interfaces. Je considère ensuite la diffusion de particules colloi dales, d'abord dans un gradient de température pour des particules chargées puis en situation de con finement au voisinage d'une interface fluctuante. Enfin, je d ecris notre étude sur les fluctuations hors d' équilibre d'une interface soumise a un écoulement de Couette. Pour terminer, je présente quelques pistes quant aux projets que je compte développer dans le futur.

Les bruts lourds et extra-lourds ainsi que les résidus pétroliers issus des étapes de distillation constituent une réserve énergétique importante, alors que l'offre en pétroles légers s'appauvrit. Ces produits sont chargés en molécules lourdes et nécessitent des étapes de raffinage élaborées pour être convertis et valorisés. Une des limitations actuelles de ces procédés est la faible mobilité, au sein du réseau poreux des catalyseurs, des molécules auto-associées les plus lourdes : les asphaltènes. L'examen d'une littérature abondante montre que le comportement d'agrégation de ces espèces reste sujet à débat. Pour décrire et comprendre l'agrégation de ces molécules complexes, particulièrement dans les conditions de température des procédés, la diffusion de rayonnement a constitué la principale technique expérimentale de cette étude pour observer les systèmes colloïdaux sur une échelle de taille étendue (1 nm - 1 μm). La complémentarité des sondes (neutrons/rayons X/lumière, ainsi que statique/dynamique) a permis d'améliorer la sélectivité des modèles. Dans un premier temps, une étude approfondie des asphaltènes en solvants modèles a été menée pour décrire finement les différents états d'agrégation : des nanoagrégats de molécules sous la forme d'un disque plat organisés en coeur aromatique/couronne aliphatique s'associent en clusters polydisperses présentant une structure fractale. Dans un deuxième temps, ce schéma d'organisation a pu être étendu aux résidus de distillation. L'étude de fractions issues de nanofiltration a permis de montrer que ces fluides complexes sont assimilables à une suspension de particules. Leur comportement à haute température (300°C) a montré que si les clusters se dissocient à haute température, les nanoagrégats subsistent. Le schéma d'organisation et son évolution avec la température est en bon accord avec les variations de viscosité observées. Par la description approfondie de l'organisation colloïdale de ces systèmes en condition d'usage, les étapes de transport et de raffinage des produits pétroliers seront mieux appréhendées.

De part leur ubiquité et les nombreux paramètres physiques les caractérisant, les suspensions concentrées (i.e. la dispersion de grains solides dans une matrice fluide) présentent des propriétés rhéologiques vastes et complexes. Cette étude se limite à des suspensions modèles de sphères rigides non colloïdales immergées dans un fluide newtonien, et à des écoulements où l'inertie et le mouvement brownien peuvent être négligés. Ce manuscrit présente une étude expérimentale de la microstructure des suspensions non-browniennes en écoulement et de son lien avec leur réponse rhéologique. Il explore le rôle important joué par les contacts dans la réponse mécanique de ces matériaux. Deux dispositifs expérimentaux ont pour cela été mis au point. Le premier, dit de rhéométrie locale, accède aux champs de vitesse de l'écoulement et aux quantités rhéologiques du matériau par le biais d'une technique de vélocimétrie par imagerie de particules. Le second permet, grâce au suivi individuel des sphères solides, de réaliser une mesure directe de la microstructure de la suspension. Une étude en rhéométrie locale du régime transitoire mesuré après une inversion de cisaillement montre que la viscosité d'une suspension chute avant de revenir à la valeur du régime permanent. Alors que la viscosité à l'état stationnaire diverge avec une loi de puissance d'exposant -2 lorsque la concentration s'approche de la concentration de blocage, la viscosité minimale diverge avec un exposant -1. Ce résultat, mis en parallèle avec d'autres études de la littérature, montre le rôle important des contacts et de la microstructure sur la rhéologie des suspensions. La microstructure est étudiée à travers la fonction de distribution de paires. Pour des suspensions diluées l'asymétrie amont-aval et l'inclinaison de la zone de déplétion est très bien reproduite par un modèle à deux particules et apportent une preuve d'un contact entre les sphères via les rugosités. A forte concentration, en plus d'une inclinaison de la zone de déplétion vers l'axe de dilatation, il apparaît une zone d'accumulation dans la direction de la vitesse.

Ce travail expérimental porte sur l'étude du comportement colloïdale aux interfaces de nématiques. Dans un premier temps, nous détaillons la séquence de phase observée par des billes de silice à ancrage homéotrope fort piégées à l'interface air-nématique. En fonction de leur densité ainsi que l'épaisseur du film, les colloïdes forment différentes structures spontanément. A l'aide des pinces optiques, nous mesurons le potentiel de paire et nous discutons les rôles respectifs des forces capillaires et élastiques. Dans un second temps, nous étudions le comportement des colloïdes sur des interfaces nématiques plus complexes. En contrôlant la géométrie des interfaces et la densité des particules piégées, à l'aide de la technique de microfluidique, nous étudions le comportement colloïdale à la surface des coques nématiques fines. La compétition entre les conditions d'ancrage aux interfaces, l'élasticité du CL, les défauts et les densités des fluides est à l'origine de la formation de nouvelles configurations topologiques. Dans cette partie nous discutons le rôle des colloïdes dans la formation de ces structures.

Chaque cellule d'un animal possède le même génome. Pourtant, ces cellules peuvent avoir des formes et des phénotypes très différents. Or, il a été démontré que l'environnement mécanique peut influencer la forme et même le phénotype cellulaire. On peut donc se demander comment une cellule acquiert une forme, et quelle place joue l'environnement mécanique dans ce processus. Dans cette thèse, nous avons étudié l'étalement précoce de fibroblastes, événement au cours duquel ces cellules passent d'une forme sphérique, où aucune tension n'est transmise au substrat, à une forme étalée, où les cellules compriment le substrat en transemttant leur tension interne à travers des agrégats de protéines que l'on nomme complexes d'adhésion. Afin de déterminer comment la formation de ces complexes corrèle avec la tension tranmise au substrat pendant l'étalement, nous avons mis au point un dispositif capable de mesurer les forces de traction cellulaire en géométrie uniaxiale et d'imager la réorganisation des complexes d'adhésion. Ainsi, nous avons pu montrer que lorsque l'étalement est rapide, la force est nulle et aucun complexe d'adhésion n'est formé. Puis la force commence à croître suivie des adhésions, tandis que l'étalement se fait plus lent. La transition entre ces deux phases semble gouvernée par un changement de forme du corps cellulaire lorsque l'angle qu'il forme avec le substrat dépasse 90°. Nous avons ensuite cherché à savoir comment l'environnement mécanique des cellules pouvait affecter ce scénario en faisant varier la raideur de notre senseur de force, puis en comparant la forme du contact adhésif lorsque la cellule s'étale sur une plaque et entre deux plaques.

Quand un liquide est refroidi suffisamment rapidement en dessous de sa température de solidification, il peut se former à la place du cristal un solide désordonné et hors équilibre appelé verre, après un ralentissement brutal de la dynamique du liquide. Cette transition vitreuse est très largement répandue, mais la cause du ralentissement reste pour une grande part mal comprise. Les suspensions colloïdales présentent une telle transition quand la fraction volumique en particules croît. Dans cette thèse, la dynamique de suspensions colloïdales de microgels thermosensibles est étudiée expérimentalement à l'approche de la transition vitreuse et au delà. Le diamètre de ces sphères molles dépend de la température du bain, ce qui permet de moduler de façon réversible la fraction volumique et d'étudier ainsi la transition vitreuse continument sur un seul et même échantillon. Dans un premier temps les hétérogénéités de la dynamique qui se développent simultanément au ralentissement de la dynamique, et jouent un rôle théorique majeur dans les tentatives d'explication de la transition vitreuse, sont étudiées en vidéo-microscopie. Sur des temps courts, une hétérogénéité purement spatiale de la dynamique est mise en évidence. Des zones lentes et rapides de dynamique homogène coexistent dans l'échantillon, l'amplitude des variations entre zones croissant à l'approche de la transition et restent grandes dans le verre. Dans un second temps, l'extension spatiale de ces zones homogènes est mesurée en corrélation d'image, et trouvée croissante à l'approche de la transition. Enfin, une méthode de mesure du mouvement brownien rotationnel en trois dimensions d'aiguilles micrométriques est développée et appliquée à la mesure des propriétés microrhéologiques de fluides complexes puis à la comparaison entre fluctuations et fonction de dissipation, mesurée grâce à la réponse des aiguilles superparamagnétiques à des champs magnétiques oscillants, dans des fluides modèles puis dans des suspensions vitreuses.

The present thesis reports computer simulation studies of several phase transition related phenomena in a range of soft-condensed matter systems. A coherent unifying theme of the thesis is the understanding of dynamics of phase transitions through free energy calculations using recently developed efficient non-Boltzmann sampling methods. Based on the system/phenomena of interest, the thesis has been classified into four major parts: I. Isotropic-nematic (IN) phase transition in liquid crystals. II. Nucleation phenomena in gas-liquid transition with particular emphasis on the systems close to the spinodal curve. III. Collapse transition in linear hydrocarbon (n-alkane) chains for a varying range of length, solvent and temperature. IV. Crystallization of unbranched polymer chains in dilute solution, with particular emphasis on the temperature dependent crossover between the rod-like crystalline state and spherical molten globule state. The thesis has been further divided into ten chapters running through the four parts mentioned before. In the following we provide a brief chapter-wise outline of the thesis. Part I deals with the power law relaxation and glassy dynamics in thermotropic liquid crystals close to the IN transition and consists of two chapters. To start with, Chapter I.1 provides an introduction to thermotropic liquid crystals. Here we briefly introduce various liquid crystalline phases, the order parameter used to characterize the IN transition, a few well established theoretical models, and we conclude with describing the recent experimental and computer simulation studies that have motivated the work described in the next chapter. In Chapter I.2, we present our molecular dynamics simulation studies on single particle and collective orientational dynamics across the IN transition for Lebwohl Lasher model, which is a well-known lattice model for thermotropic liquid crystals. Even this simplified model without any translational degrees of freedom successfully captures the short-tointermediate time power law decay recently observed in optical heterodyne detected optical Kerr effect (OHDOKE) measurements near the IN transition. The angular velocity time correlation function also exhibits a rather pronounced power law decay near the IN boundary. In the mean squared angular displacement at comparable time scales, we observe the emergence of a sub-diffusive regime which is followed by a super-diffusive regime before the onset of the longtime diffusive behavior. We observe signature of dynamical heterogeneity through pronounced non-Gaussian behavior in the orientational motion particularly at lower temperatures. Interestingly, this behavior closely resembles what is usually observed in supercooled liquids. We obtain the free energy as a function of orientational order parameter by the use of recently developed transition matrix Monte Carlo (TMMC) method. The free energy surface is flat for the system considered here and the barrier between isotropic and nematic phases is vanishingly small for this weakly first-order transition, hence allowing for large scale, collective, and correlated orientational density fluctuations. We attribute this large scale fluctuations as the reason for the observed power law decay of the orientational time correlation functions. Part II consists of three chapters, where we focus on the age old problem of nucleation and growth, both from the perspective of thermodynamics and kinetics. We account for the rich history of the problem in the introductory Chapter II.1. In this chapter we describe various types and examples of the nucleation phenomena, and a brief account of the major theoretical approaches used so far. We begin with the most successful Classical Nucleation Theory (CNT), and then move on to more recent applications of Density Functional Theory (DFT) and other mean-field types of models. We conclude with a comparison between the experiments, theories and computational studies. In the next chapter (Chapter II.2) we attempt to elucidate the mechanism of nucleation near the gas-liquid spinodal from a microscopic point of view. Here we construct a multidimensional free energy surface of nucleation of the liquid phase from the parent supercooled and supersaturated vapor phase near the gas-liquid spinodal. In particular, we remove the Becker-Doring constraint of having only one growing cluster in the system. The free energy, as a function of the size of the largest cluster, develops a pronounced minimum at a subcritical cluster size close to the spinodal. This signifies a two step nature of the process of nucleation, where the rapid formation of subcritical nuclei is followed by further growth by slower density fluctuations on an uphill free energy surface. An alternative free energy pathway involving the participation of many subcritical clusters is envisaged near the spinodal where the growth of the nucleus is found to be promoted by a coalescence mechanism in contrast to the single particle addition assumption within CNT. The growth of the stable phase becomes progressively collective and spatially diffuse, and the significance of a “critical nucleus” is lost for deeper quenches. In this chapter we present our studies both in 3dimensional Lennard-Jones (LJ) system and Ising model (both 2and 3dimensions). Our general findings seem to be independent of the model chosen. While the previous chapter focuses on relatively well-studied 3-dimensional (3D) LJ system, in Chapter II.3 we present our studies on the characteristics of the nucleation phenomena in 2dimensional (2D) Lennard-Jones fluid. To the best of our knowledge this is the first extensive computer simulation study to check the accuracy of CNT in 2D. Using various Monte Carlo methods, we calculate the free energy barrier for nucleation, line tension, and bulk densities of equilibrium liquid and vapor phases, and also investigate the size and shape of the critical nucleus. The study is carried out at an intermediate level of supersaturation (away from the spinoidal limit). In 2D, a surprisingly large cutoff (rc ≥ 7.0σ where σ is the diameter of LJ particles) in the truncation of the LJ potential is required to obtain converged results. A lower cutoff leads to a substantial error in the values of the line tension, nucleation barrier, and characteristics of the critical cluster. Note that typically 2.5σ is sufficient for 3D LJ fluids. We observe that in 2D system CNT fails to provide a reliable estimate of the free energy barrier. While it is known to slightly overestimate the nucleation barrier in 3D, it underestimates the barrier by as much as 50% at the saturation ratio S = 1.1(defined as S = P/Pc, where Pc is the coexistence pressure) and at the reduced temperature T* = 0.427(defined as T* = KBT/ ε, where ε is the depth of the potential well). The reason for the marked inadequacy of the CNT in 2D can be attributed to the non-circular nature of the critical clusters. Although the shape becomes increasingly circular and the clusters become more compact with increase in cutoff radius, an appreciable non-circular nature remains even without any cutoff to make the simple CNT inaccurate. Part III again consists of three chapters and focuses on the conformational equilibria. Collapse transition and self-organized structures of n-alkanes in solution. In Chapter III.1 we carry out a brief survey of the existing theories of polymer in solution, with particular emphasis on the collapse process in poor solvents. We also introduce the concept of “hydrophobicity” and “hydrophobic collapse”, which is now a subject enormous interest, partly because it my help in understanding the initial processes involved in protein folding. We briefly discuss the subject of formation of beautiful self-organized structures by block copolymers, and also simple homopolymers which is essentially the focus of the work embodied in the next two chapters. In Chapter III.2 we demonstrated a chain length dependent crossover in the structural properties of linear hydrocarbon (n-alkane) chains using detailed atomistic simulations in explicit water. We identify a number of exotic structures o the polymer chain through energy minimization of representative snapshots collected from molecular dynamics trajectory. While the collapsed state is ring-like(circular) for small chains(CnH2n+2; n ≤ 20) and spherical for very long ones( n = 100), we find the emergence of ordered helical structures at intermediate lengths (n ~ 40). We find different types of disordered helices and toroid-like structures at n = 60. We also report a sharp transition in the stability of the collapsed state as a function of the chain length through relevant free energy calculations. While the collapsed state is only marginally metastable for C20H42, a clear bistable free energy surface emerges only when the chain is about 30 monomers long. For n = 30, the polymer exhibits an intermittent oscillation(characterized by well-developed 1/f noise, where f is the frequency ) between the collapsed and the coil structures, characteristic of two stable states separated by a small barrier. This appears to support a weakly first order phase transition between the extended and the collapsed states. Chapter III.3 extends the study of previous chapter to much longer chains (n ≥ 100), which irreversibly collapse in water into globular forms. Even though the collapsed form has a nearly spherical shape, close inspection shows a propensity towards local ordering in the alignment of the polymer segments. This tendency to maintain alignment in order to maximize the number of contacts leads to a core-shell like structure, where the shell is often characterized by a bent rod-like shape consisting of two adjacent segments running in parallel. A key event associated with the initial stage of collapse seems to be the formation of a skewed ring (or loop) that serves as a “nucleation center” for rest of the chain to collapse into. Time evolution of the radial distribution function of water surrounding the polymer, shows that the density of neighboring water decreases by only about 15-20% from that of bulk water. Even though interior of the ting-like structures is fully devoid of water, solvent accessible surface representation shows that these regions are geometrically/spatially inaccessible to water molecules. We suggest that the role of water is to stabilize such ring-like structures once formed by natural conformational fluctuations of the polymer chain. This view is confirmed by observation of spontaneous formation and melting away of such ring-like entities in a polar aprotic solvent(DMSO). We also comment on the role of the flexibility of polymer chains in determining the collapse kinetics. The last part(Part IV) of the thesis consists of two chapters that deal with the crystallization of linear polymer chains from dilute solution. The way long chain polymers crystallize is drastically different from their small molecule counterparts due to their topological connectivity. Linear polymers often crystallize from dilute solution in the form of thin lamellae with well-defined crystallographic features. In Chapter IV.1 we briefly survey the current theoretical understanding and confusions associated with the highly debated field of polymer crystallization. While the last few decades have seen the development of many successful phenomenological theories, the molecular mechanism of formation of such self-organized lamellae is extremely complex and very poorly understood. There are clearly two distinct steps in polymer crystallization. Firstly, the individual linear polymers must self-organize into bundles of somewhat regular structures. These structures then further aggregate to lamellar form and crystallize into a lattice. In this respect , it has marked similarity to the problem of protein crystallization. In chapter IV.2 we present Brownian dynamics simulation studies of a single polythelene chain of length 500. Such systems can reasonably mimic the process of crystallization from dilute solutions. Our simulations could successfully reproduce some of the interesting phenomena observed in experiments and very recent computer simulation studies, including multi-center nucleation of rod-like structures within a single polymer chain, an inverse relation between lamellar thickness and temperature etc. But our primary focus has been to understand the nature of the phase transition as one traverses along the melting temperature and the underlying free energy surface. Near the melting temperature we observe a very intriguing fluctuation between the disordered molten globule state and the ordered rod-like crystalline, where these two forms have highly different shape and structure. These fluctuations have strong signature of 1/f noise or intermittency. This clearly indicates the existence of a weakly first order transition, where two widely different states with large difference in values of order parameter are separated by a rather small free energy barrier. This can be related to the experimentally observed density fluctuations that resemble spinodal decomposition. It is important to note that very similar fluctuations have been observed in our previous studies on liquid crystals (Chapter 1.2) and intermediate sized alkalines in water(Chapter III.2) that signifies a universal underlying energy landscape for these systems. We have discussed the scope of future work at the end of each chapter whenever appropriate.

En dépit de leur importance pratique considérable, et bien que de nombreuses expériences établissent une corrélation certaine entre les hétérogénéités d'interaction de surface (rugosité ou inhomogénéités chimiques) et les propriétés de friction des surfaces, le rôle de ces interactions sur la friction n'est encore pas bien décrit par les modèles et les expériences existants. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l'identification des mécanismes moléculaires de la friction aux interfaces polymères souples. Dans ce contexte, nous avons réalisé deux études complémentaires. La première partie du travail concerne le mouvement d'une ligne triple solide-liquide-vapeur qui se déplace sur une surface solide sous l'effet de différentes forces (gravité, forces capillaires et tensions interfaciales), et en particulier le lien entre le piégeage et le dépiégeage de la ligne triple et l'hystérèse de l'angle de contact. Cette méthode permet de mesurer des angles de contact d'avancée et de reculée avec une précision sans précédent (0,1°)et s'avère être particulièrement sensible aux mécanismes qui tendent à ancrer la ligne triple. Ceci en fait un outil de choix pour étudier la friction liquide/solide. Dans la seconde partie du travail, nous avons cherché à comprendre comment des chaînes de polymère flexibles, fortement ancrées sur une surface solide, dans le régime des fortes densités de greffage affectent la friction entre une telle surface et un élastomère réticulé constitué du même polymère. Nous avons montré que le comportement en friction de cette couche confinée suit exactement le comportement rhéofluidifiant observé pour des couches de fondu de masses molaires équivalentes mais avec un temps de relaxation beaucoup plus long que celui des chaînes en fondu,la reptation n'étant pas permise pour les chaînes ancrées. Enfin, en comparant les résultats obtenus pour des couches greffées chimiquement à une extrémité et des couches fortement adsorbées, ayant par ailleurs les mêmes caractéristiques moléculaires (masse molaire des chaînes et épaisseur de la couche ancrée), nous avons mis en évidence que la friction est remarquablement sensible à l'organisation moléculaire au sein de la couche ancrée.