Lors d’une rentrée atmosphérique, les boucliers thermiques des véhicules spatiaux subissent un échauffement considérable dont une fraction significative (~30%) est attribuée aux réactions chimiques à leur surface. Cette thèse contribue à la compréhension de cette réactivité hétérogène, la catalycité, au moyen des outils de la chimie théorique. Une méthode de construction de surface d’énergie potentielle globale est développée et appliquée à l’étude de la dynamique de processus élémentaires (adsorption moléculaire dissociative, absorption atomique, recombinaison Eley-Rideal …) pour les systèmes chimiques N,N2/W(100,110) et O,O2/Cu(100). Ces approches sont ensuite couplées à un modèle cinétique permettant de quantifier la catalycité. / During an atmospheric re-entry, the thermal shields of spacecrafts undergo an important heating, a significant fraction (~30%) of which is due to the chemical reactions at their surface. This thesis is a contribution to the understanding of this heterogeneous reactivity, catalycity, with the tools of theoretical chemistry. A method to build a global potential energy surface is developed and applied to the study of elementary processes dynamics (dissociative molecular adsorption, atomic absorption, Eley-Rideal recombination …) for the N,N2/W(100,110) and O,O2/Cu(100) chemical systems. These approaches are then coupled with a kinetic model quantifying catalycity.

D’immenses progrès ont été réalisés ces dernières années dans le champ de production de condensats de Bose-Einstein moléculaires pour l’obtention et le piégeage de molécules ultrafroides ioniques et neutres. Ces échantillons de molécules ultrafroides trouvent des applications dans des domaines très variés tels que les mesures pectroscopiques de haute précision ou bien encore le stockage de l’information quantique. La volonté d’optimiser les procédés de refroidissement et des techniques de piégeage a stimulé un grand nombre d’études théoriques. La plupart de ces études sont dédiées au refroidissement des molécules en collision avec un gaz tampon (3 He). La surface d’énergie potentielle de l’état fondamental du complexe de van der Waals He–MnH(X7Σ+) est présentée, suivie du calcul des états liés correspondant au complexe ainsi que l’étude de la relaxation Zeeman associée au système en fonction du champ magnétique appliqué. Dans le domaine de l’astrochimie, l’étude de la désexcitation rotationnelle de CH+ en collision avec l’hélium est également présentée. / Tremendous progress in experimental production and trapping of ultracold neutral and ionic molecules has been achieved over the past few years which even allowed the production of molecular Bose–Einstein condensates. These ultracold molecules samples have potential applications in many different fields, such as precision spectroscopic measurements or quantum information storage and processing. The optimization of the cooling processes and the trapping techniques also stimulated a great number of theoretical studies. Many of them are dedicated to inelastic scattering of molecules in collisions with 3He atoms (buffer gas cooling method). The potential energy surface of the ground state of the He–MnH(X7Σ+) van der Waals complex is presented, followed by the calculations of the bound states of this system and the Zeeman relaxation in function of the magnetic field. In the field of astrochemistry, a quantum mechanical investigation of rotational energy transfer in cold collisions of CH+ with 4He atoms is presented.

Le but principal de ce travail est d'examiner la capacité des méthodes clusters couplés explicitement corrélées (CCSD(T)-F12) pour la génération des surface de potentiel (SEPs) multidimensionnelles à courte, moyenne et longue portée intermoléculaires et leur utilisation dans la détermination des spectres des systèmes van der Waals (vdW) et des données de collision sur une large gamme d'énergie de collision. Ceci a été fait par une comparaison directe des surfaces de potentiel et des résultats générés à partir de l'utilisation des méthodes clusters couplés standards avec simple, double et un traitement perturbatif des excitations triples (CCSD(T)) et explicitement corrélée CCSD(T)-F12. En effet, nous démontrons que la méthode CCSD(T)-F12 en connexion avec la base aug-cc-pVTZ est la méthode de choix pour la génération de ces surfaces de potentiel avec une très grande réduction du coût computationnel (temps CPU et occupation disque). Ceci est illustré à travers l'étude des systèmes vdW HCl/DCl-He et CO2 -CO2 qui sont importants pour l'astrophysique et les atmosphères planétaires. Pour HCl/DCl-He, nous avons comparé les résultats issus des SEPs explicitement corrélées et celles calculées avec les méthodes cluster couplés standards. Ces SEPs ont été générées le long des coordonnées intermonomères. A travers ces comparaisons, nous avons montré que l'utilisation des méthodes CCSD(T)-F12/aug-cc-pVTZ explicitement corrélées permet de dépasser la précision de l'approche CCSD(T)/CBS (prise comme référence) avec un coût computationnel très réduit. La qualité de la surface de potentiel explicitement corrélée a été vérifiée par le calcul des sections efficaces et des taux de collision d'excitation rotationnelle de HCl/DCl par He. Par la suite, Nous étendons, notre étude aux systèmes moléculaires plus larges à travers l'étude du dimère de dioxyde de carbone,(CO2 )2 . Ainsi, nous avons généré une SEP d'interaction à 4 dimensions pour le dimère de dioxyde de carbone (CO2 )2 en utilisant la méthode CCSD(T)-F12/aug-cc-pVTZ qui a été comparée avec d'autres surfaces et spécialement avec celle générée par les approches de référence CCSD(T)/CBS et SAPT. Cette comparaison a bien prouvé la performance des méthodes explicitement corrélées pour la description de la corrélation électronique. Ceci, a été validé par des calculs de dynamique qui ont permis de déterminer le second coefficient du viriel, le premier moment spectral et les niveaux vibrationnels du dimère de CO2 et leur comparaison aux résultats expérimentaux et théoriques existants. Nous recommandons donc l'utilisation de la méthode CCSD(T)-F12/aug-cc-pVTZ pour l'étude des interactions moléculaires impliquant des systèmes polyatomique-polyatomique faiblement liés / The main goal of this work is to examine the capabilities of explicitly correlated coupled cluster (CCSD(T)-F12) methods for the mapping of multidimensional potential energy surfaces (PESs) at short, medium and long intermolecular ranges and therefore their use in the determination of accurate collisional data for a wide range of collision energies after dynamical computations. This is done through close comparisons of these PESs and corresponding data to those deduced using standard coupled cluster approaches with perturbative treatment of triple excitations (CCSD(T)). Therefore, we definitely establish that CCSD(T)-F12 in connection with the aug-cc-pVTZ basis set is the method of choice for the generation of such accurate PESs with strong reduction of computational cost (CPU and disk occupancy). As a benchmark, we treated the rotational excitation induced by collision of HCl/DCl-He and CO2 -CO2 van der Waals molecular systems, which are relevant for astrophysics and planetary atmospheres, respectively. For HCl-He and DCl-He, we closely compared the results deduced from PESs calculated with explicitly correlated and standard coupled cluster methods. These PESs were generated over the intermonomer degrees of freedom. Through these comparisons, we have shown that the use of explicitly correlated CCSD(T)-F12/aug-cc-pVTZ method overcomes the accuracy of the reference approach CCSD(T) associated with the complete basis set (CBS) with a very low computational cost (2 orders of magnitude less). The quality of the explicitly correlated potential surface was verified by cross sections and collision rate calculations. Then, we extended our findings to the CO2 -CO2 larger molecular systems. Hence, we generated four-dimentional (4D) PES of the carbon dioxide dimer (CO2 )2 using the CCSD(T)-F12 method and we compared it with other surfaces specially with that generated by the CCSD(T)/CBS and SAPT approaches. Again, we established the performance of explicitly correlated method to account fully for electron correlation. This was validated after dynamical calculations, where second virial coefficient, first spectral moment and vibrational energies of the CO2 dimer were computed and compared to previous experimental and theoretical data. In total, we recommend the use of CCSD(T)/aug-cc-pVTZ method for the investigation of weak interactions occurring between polyatomic-polyatomic systems for a wide range of applications

Les processus élémentaires hétérogènes à l’interface gaz-solide présentent un intérêt fondamental dans de nombreux domaines tels que la catalyse hétérogène, la chimie atmosphérique et des milieux interstellaires, la rentrée atmosphérique de véhicules spatiaux ou encore la description des interactions plama-paroi. Cette thèse a pour objet l’étude de la dynamique des processus de collision non réactive de l’azote N2 sur une surface de tungstène W(100) et des processus de recombinaison moléculaire de l’hydrogène H2 sur des surfaces de tungstène W(100) et W(110). Leur dynamique quasi classique est simulée au moyen de surfaces d’énergie potentielle préalablement construites à partir de calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité. Un potentiel multi-adsorbats est notamment développé pour tenir compte du taux de couverture de surface afin d’étudier la compétition entre la recombinaison directe, de type Eley-Rideal et la recombinaison par « atomes chauds » après diffusion hyperthermique d’un atome sur la surface. / Heterogeneous elementary processes at the gas-solid interface are ofgreat interest in many domains such as heterogeneous catalysis, atmospheric and interstellar media chemistry, spacecraft atmospheric re-entry and plasma-wall interactions description. This thesis focus on the dynamics of nitrogen, N2, non reactive scattering on a tungsten W(100) surface and hydrogen, H2, recombination processes on tungsten surfaces W(100) and W(110). The quasiclassical dynamics of these processes is simulated using potential energy surfaces based on density functional theory calculations. In particular, a multi-adsorbate potential is developed to include surface coverage in the dynamics simulation in order to scrutinize the interplay between both direct abstraction, the so-called Eley-Rideal recombination,and the Hot-Atom recombination process after hyperthermal diffusion on the surface