In the present work, the structural, electronic properties, thermodynamic stability and adatom surface movements of oxygen and sulfur adsorption on the Fe surface were studied based on the ab initio method. Firstly, the oxygen adsorbed on the iron (100) surface is investigated at the three adsorption sites top, bridge and hollow sites, respectively. Adsorption energy, work function and surface geometries were calculated, the hollow site was found to be the most stable adsorption site, Which is in agreement with the experiments. In addition, the difference charge density of the different adsorption systems was calculated to analyze the interaction and bonding properties between Fe and O. It can be found out that the charge redistribution was related to the geometry relaxation. Secondly, the sulfur coverage is considered from a quarter of one monolayer (1ML) to a full monolayer. Our calculated results indicate that the most likely site for S adsorption is the hollow site on Fe (100). We find that the work function and its change Df increased with S coverage, in very good agreement with experiments. Due to a recent discussion regarding the influence of charge transfer on Df, we show that the increase in Df can be explained by the increasing surface dipole moment as a function of S coverage. In addition, the Fe-S bonding was analyzed. Finally, the thermodynamic stabilities of the different structures were evaluated as a function the sulfur chemical potential. Finally, a two dimensional (2D) gas model was proposed to simulate the surface active elements, oxygen and sulfur atoms, movement on the Fe (100) surface. The average velocity of oxygen and sulfur atoms was found out to be related to the vibration frequencies and energy barrier in the final expression developed. The calculated results were based on the density function and thermodynamics & statistical physics theories. In addition, this 2D gas model can be used to simulate and give an atomic view of the complex interfacial phenomena in the steelmaking refining process.

La modélisation des équilibres thermodynamiques entre phases est essentielle pour le génie des procédés et le génie pétrolier. L’analyse de la stabilité des phases est un problème de la plus haute importance parmi les calculs d’équilibre des phases. Le calcul de stabilité décide si un système se présente dans un état monophasique ou multiphasique ; si le système se sépare en deux ou plusieurs phases, les résultats du calcul de stabilité fournissent une initialisation de qualité pour les calculs de flash (Michelsen, 1982b), et permettent la validation des résultats des calculs de flash multiphasique. Le problème de la stabilité des phases est résolu par une minimisation sans contraintes de la fonction distance au plan tangent à la surface de l’énergie libre de Gibbs (« tangent plane distance », ou TPD). Une phase est considérée comme étant thermodynamiquement stable si la fonction TPD est non- négative pour tous les points stationnaires, tandis qu’une valeur négative indique une phase thermodynamiquement instable. La surface TPD dans l’espace compositionnel est non- convexe et peut être hautement non linéaire, ce qui fait que les calculs de stabilité peuvent être extrêmement difficiles pour certaines conditions, notamment aux voisinages des singularités. On distingue deux types de singularités : (i) au lieu de la limite du test de stabilité (stability test limit locus, ou STLL), et ii) à la spinodale (la limite intrinsèque de la stabilité thermodynamique). Du point de vue géométrique, la surface TPD présente un point selle, correspondant à une solution non triviale (à la STLL) ou triviale (à la spinodale). Dans le voisinage de ces singularités, le nombre d’itérations de toute méthode de minimisation augmente dramatiquement et la divergence peut survenir. Cet inconvénient est bien plus sévère pour la STLL que pour la spinodale. Le présent mémoire est structuré sur trois grandes lignes : (i) après la présentation du critère du plan tangent à la surface de l’énergie libre de Gibbs, plusieurs solutions itératives (gradient et méthodes d’accélération de la convergence, méthodes de second ordre de Newton et méthodes quasi- Newton), du problème de la stabilité des phases sont présentées et analysées, surtout du point de vue de leurs comportement près des singularités; (ii) Suivant l’analyse des valeurs propres, du conditionnement de la matrice Hessienne et de l’échelle du problème, ainsi que la représentation de la surface de la fonction TPD, la résolution du calcul de la stabilité des phases par la minimisation des fonctions coût modifiées est adoptée. Ces fonctions « coût » sont choisies de telle sorte que tout point stationnaire (y compris les points selle) de la fonction TPD soit converti en minimum global; la Hessienne à la STLL est dans ce cas positif définie, et non indéfinie, ce qui mène a une amélioration des propriétés de convergence, comme montré par plusieurs exemples pour des mélanges représentatifs, synthétiques et naturels. Finalement, (iii) les calculs de stabilité sont menés par une méthode d’optimisation globale, dite de Tunneling. La méthode de Tunneling consiste à détruire (en plaçant un pôle) les minima déjà trouvés par une méthode de minimisation locale, et a tunneliser pour trouver un point situé dans une autre vallée de la surface de la fonction coût qui contient un minimum 9 à une valeur plus petite de la fonction coût; le processus continue jusqu'à ce que les critères du minimum global soient remplis. Plusieurs exemples soigneusement choisis montrent la robustesse et l’efficacité de la méthode de Tunneling pour la minimisation de la fonction TPD, ainsi que pour la minimisation des fonctions coût modifiées. / The thermodynamic phase equilibrium modelling is an essential issue for petroleum and process engineering. Phase stability analysis is a highly important problem among phase equilibrium calculations. The stability computation establishes whether a given mixture is in one or several phases. If a mixture splits into two or more phases, the stability calculations provide valuables initialisation sets for the flash calculations, and allow the validation of multiphase flash calculations. The phase stability problem is solved as an unconstrained minimisation of the tangent plan distance (TPD) function to the Gibbs free energy surface. A phase is thermodynamically stable if the TPD function is non-negative at all its stationary points, while a negative value indicates an unstable case. The TPD surface is non-convex and may be highly non-linear in the compositional space; for this reason, phase stability calculation may be extremely difficult for certain conditions, mainly within the vicinity of singularities. One can distinguish two types of singularities: (i) the stability test limit locus (STLL), and (ii) the intrinsic limit of stability (spinodal). Geometrically, the TPD surface exhibits a saddle point, corresponding to a non-trivial (at the STLL) or trivial solution (at the spinodal). In the immediate vicinity of these singularities, the number of iterations of all minimisation methods increases dramatically, and divergence could occur. This inconvenient is more severe for the STLL than for the spinodal. The work presented herein is structured as follow: (i) after the introduction to the concept of tangent plan distance to the Gibbs free energy surface, several iterative methods (gradient, acceleration methods, second-order Newton and quasi-Newton) are presented, and their behaviour analysed, especially near singularities. (ii) following the analysis of Hessian matrix eigenvalues and conditioning, of problem scaling, as well as of the TPD surface representation, the solution of phase stability computation using modified objective functions is adopted. The latter are chosen in such a manner that any stationary point of the TPD function becomes a global minimum of the modified function; at the STLL, the Hessian matrix is no more indefinite, but positive definite. This leads to a better scheme of convergence as will be shown in various examples for synthetic and naturally occurring mixtures. Finally, (iii) the so-called Tunneling global optimization method is used for the stability analysis. This method consists in destroying the minima already found (by placing poles), and to tunnel to another valley of the modified objective function to find a new minimum with a smaller value of the objective function. The process is resumed when criteria for the global minimum are fulfilled. Several carefully chosen examples demonstrate the robustness and the efficiency of the Tunneling method to minimize the TPD function, as well as the modified objective functions.

The present work was initiated to investigate the surface- and interfacial phenomena for iron and slag/iron systems. The aim was to understand the mechanism of the effect of surface active elements on surface and interfacial properties. In the present work, the adsorption of oxygen and sulfur on iron surface as well as adatom surface movements were studied based on the ab initio method. BCC iron melting phenomena and sulfur diffusion in molten iron were investigated by Monte Carlo simulations. The impact of oxygen potential on interfacial mass transfer was carried out by X-ray sessile drop method. Firstly, the structural, electronic and magnetic properties as well as thermodynamic stability were studied by Density functional theory (DFT). The hollow site was found to be the most stable adsorption site both for oxygen and sulfur adsorbed on iron (100) surface, which is in agreement with the experiment. The relaxation geometries and difference charge density of the different adsorption systems were calculated to analyze the interaction and bonding properties between Fe and O/S. It can be found that the charge redistribution was related to the geometry relaxation. In addition, the sulfur coverage is considered from a quarter of one monolayer (1ML) to a full monolayer. It was found that the work function and its change Δφ increased with S coverage, in very good agreement with experiment. Due to a recent discussion regarding the influence of charge transfer on Δφ, it is shown in the present work that the increase in Δφ can be explained by the increasing surface dipole moment as a function of S coverage. S strongly interacts with the surface Fe layer and decreases the surface magnetic moment as the S coverage increases. Secondly, a two dimensional (2D) gas model based on density functional calculations combined with thermodynamics and statistical physics, was proposed to simulate the movement of the surface active elements, viz. oxygen and sulfur atoms on the Fe(100) surface. The average velocity of oxygen and sulfur atoms was found to be related to the vibration frequencies and energy barrier in the final expression developed. The calculated results were based on the density function and thermodynamics & statistical physics theories. In addition, this 2D gas model can be used to simulate and give an atomic view of the complex interfacial phenomena in the steelmaking refining process. A distance dependent atomistic Monte Carlo model was developed for studying the iron melting phenomenon as well as effect of sulfur on molten iron surface. The effect of boundary conditions on the melting process of an ensemble of bcc iron atoms has been investigated using a Lennard-Jones distance dependent pair potential. The stability of melting process was energetically and spatially analyzed under fixed wall and free surface conditions and the effects of short and long-range interactions were discussed. The role of boundary conditions was significantly reduced when long-range interactions were used in the simulation. This model was further developed for investigating the effect of sulfur on molten iron surface. A combination of fixed wall and free surface boundary condition was found to well-represent the molten bath configuration while considering the second nearest neighbor interactions. Calculations concerning the diffusion of sulfur on molten surface were carried out as a function of temperature and sulfur concentration. Our results show that sulfur atoms tended to diffuse away from the surface into the liquid bulk and the diffusion rate increased by increasing temperature. Finally, impact of oxygen potential on sulfur mass transfer at slag/metal interface, was carried out by X-ray sessile drop method. The movement of sulfur at the slag/metal interface was monitored in dynamic mode at temperature 1873 K under non-equilibrium conditions. The experiments were carried out with pure iron and CaO-SiO2-Al2O3-FeO slag (alumina saturated at the experimental temperature) contained in alumina crucibles with well-controlled partial pressures of oxygen and sulfur. As the partial pressure of oxygen increased, it was found that interfacial velocity as well as the oscillation amplitude increased. The thermo-physical and thermo-chemical properties of slag were also found to influence interfacial velocity. / QC 20101123

Cette thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre de l’étude in silico des relations qui lient la séquence d’une protéine à sa structure, sa stabilité et sa fonction. Elle a pour objectif de permettre à terme la conception rationnelle de protéines modifiées qui restent actives dans des conditions physico chimiques non physiologiques. Nous nous sommes plus particulièrement penchés sur la stabilité thermique des protéines, qui est définie par leur température de fusion Tm au delà de laquelle leur structure n’est thermodynamiquement plus stable. Notre travail s’articule en trois grandes parties :la recherche de facteurs favorisant la thermostabilité des protéines parmi des familles de protéines homologues, la mise sur pied d’une base de données de protéines de structure et de Tm déterminées expérimentalement, de laquelle sont dérivés des potentiels statistiques dépendant de la température, et enfin la mise au point de deux outils bioinformatiques visant à prédire d’une part la Tm d’une protéine à partir de la Tm de protéines homologues et d’autre part les changements de thermostabilité d’une protéine (Tm) engendrés par l’introduction d’une mutation ponctuelle.<p><p>La première partie a pour objectif l’identification des facteurs de séquence et de structure (e.g. fréquence de ponts salins, d’interactions cation-{pi}) responsables des différentes stabilités thermiques de protéines homologues au sein de huit familles (chapitre 2). La spécificité de chaque famille ne nous a pas permis de généraliser l’impact de ces différents facteurs sur la stabilité thermique des protéines. Cependant, cette approche nous a permis de constater la multitude de stratégies différentes suivies par les protéines pour atteindre une plus grande thermostabilité.<p><p>La deuxième partie concerne le développement d’une approche originale pour évaluer l’influence de la température sur la contribution de différents types d’interactions à l’énergie libre de repliement des protéines (chapitres 3 et 4). Cette approche repose sur la dérivation de potentiels statistiques à partir d’ensembles de protéines de thermostabilité moyenne distincte. Nous avons d’une part collecté le plus grand nombre possible de protéines de structure et de Tm déterminées expérimentalement, et d’autre part développé des potentiels tenant compte de l’adaptation des protéines aux températures extrêmes au cours de leur évolution. Cette méthode originale a mis en évidence la dépendance en la température d’interactions protéiques tels les ponts salins, les interactions cation-{pi}, certains empilements hydrophobes .Elle nous a en outre permis de mettre le doigt sur l’importance de considérer la dépendance en la température non seulement des interactions attractives mais également des interactions répulsives, ainsi que sur l’importance de décrire la résistance thermique par la Tm plutôt que la Tenv, température de l’environnement de l’organisme dont elle provient (chapitre 5).<p><p>La dernière partie de cette thèse concerne l’utilisation des profils énergétiques dans un but prédictif. Tout d’abord, nous avons développé un logiciel bioinformatique pour prédire la thermostabilité d’une protéine sur la base de la thermostabilité de protéines homologues. Cet outil s’est avéré prometteur après l’avoir testé sur huit familles de protéines homologues. Nous avons également développé un deuxième outil bioinformatique pour prédire les changements de thermostabilité d’une protéine engendrés par l’introduction d’une mutation ponctuelle, en s’inspirant d’un logiciel de prédiction des changements de stabilité thermodynamique des protéines développé au sein de notre équipe de recherche. Ce deuxième algorithme de prédiction repose sur le développement d’une grande base de données de mutants caractérisés expérimentalement, d’une combinaison linéaire de potentiels pour évaluer la Tm, et d’un réseau de neurones pour identifier les coefficients de la combinaison. Les prédictions générées par notre logiciel ont été comparées à celles obtenues via la corrélation qui existe entre stabilités thermique et thermodynamique, et se sont avérées plus fiables.<p><p>Les travaux décrits dans notre thèse, et en particulier le développement de potentiels statistiques dépendant de la température, constituent une nouvelle approche très prometteuse pour comprendre et prédire la thermostabilité des protéines. En outre, nos travaux de recherche ont permis de développer une méthodologie qui pourra être adaptée à l’étude et à la prédiction d’autres propriétés physico chimiques des protéines comme leur solubilité, leur stabilité vis à vis de l’acidité, de la pression, de la salinité .lorsque suffisamment de données expérimentales seront disponibles.<p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In recent years, copper radioisotopes have been extensively studied for their suitable coordination and physical properties. Nuclides 61 Cu, 64 Cu and 67 Cu are used in nuclear medicine - in diagnostic as well as in therapeutic applications. The aim of the Thesis is a study of the coordination properties of divalent copper as a stepping stone for the next potential applications. The presented Thesis consists of two thematic parts. The first part deals with the synthesis of cyclam derivatives. Sixteen new macrocyclic ligands with different phosphorus acid coordinating pendant arms (phosphinate, phosphonate, germinal P-C-P) were prepared; an analogous ligand endowed by carboxylic acid pendant arm as well as tetramethylcyclam without coordinating arm were prepared for comparison. The influence of the nature of coordinating acid pendant arms on selectivity and on the rate of copper(II) complexation was studied in detail. The protonation constants of the free ligands and the stability constants of the complexes with selected transition metal ions were determined by potentiometric titrations and by 1 H and 31 P NMR spectroscopy. Kinetic properties - i.e. studies of the formation rate and kinetic inertness of the copper(II) complexes - were performed by UV-Vis spectroscopy. The formation kinetics of the selected...

<p> Radical species are essential in modern chemistry. In addition to fundamental chemistry, their unique chemical bonding and distinct physicochemical features serve critical functions in materials science in the form of organic electronics. Due to their high reactivity, radicals of the main group element are often transient. In recent years, remarkably stable radicals are often stabilized by π-delocalization, sterically demanding side groups, carbenes, and weakly coordinating anions. The impacts of modifications such as electron-donating, electron-withdrawing, and end-capping on the spin density distribution and thermodynamic and kinetic stability of archetypal radical-driven processes such as dimerization are not well understood. This dissertation aims to track the perturbation of spin density from EDG and EWG modifications, provide mechanistic insight into the radical-initiated reactions of conjugated radical cations, and establish correlations between molecular design and thermochemical properties and their resulting kinetic stability by computationally evaluating these characteristics against experimental data. The disclosed connections give useful new recommendations for the rational design of thermodynamically and kinetically stable novel materials.</p>