Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans le cadre du renouvellement du parc nucléaire, six modèles de réacteurs de 4ème génération ont été proposés, dont le Réacteur à Sels Fondus. Ce réacteur a la particularité d’utiliser un combustible à base de fluorures fondus, type LiF-ThF4. Pour développer ce concept, il est important de caractériser d’un point de vue structural ces mélanges de fluorures fondus, pour remonter aux propriétés physico-chimiques du combustible et optimiser ce procédé. Les systèmes fondus MF-ZrF4 (M = Li, Na, K), choisis comme modèle des systèmes au thorium, ont été étudiés expérimentalement par Résonance Magnétique Nucléaire et Absorption des Rayons X à hautes températures, ainsi que par calcul de dynamique moléculaire, en s’intéressant plus particulièrement aux environnements locaux du fluor et du zirconium. Afin d’interpréter les données RMN recueillies dans les milieux fondus, une étude préliminaire sur des halogénures de zirconium et des fluorozirconates de terres rares et d’alcalins solides a été menée par RMN du zirconium 91Zr et des corrélations structures/ paramètres RMN ont été établies. A haute température, dans les systèmes MF-ZrF4 on montre la coexistence de différents complexes du zirconium, avec des coordinences comprises entre 6 et 8, leurs proportions évoluant en fonction de la teneur en ZrF4 du mélange, et du type de l’alcalin. En fonction de la teneur en fluorure de zirconium, nous avons mis en évidence le rôle du fluor dans le bain fondu : fluor libre à faible teneur, il intervient progressivement dans la formation des complexes pour devenir pontant à plus haute teneur. Cette approche originale et innovante des systèmes fluorés fondus, combinant RMN et EXAFS à haute température, avec les calculs de dynamique moléculaire, s’avère particulièrement efficace pour leur description structurale, permettant ainsi de remonter à des données fondamentales, telles que leur spéciation ou leur fluoroacidité. / In the frame of the renewal of the different nuclear plans, the molten salt reactor is one of the six concepts of reactors of IVth generation. This reactor has the particularity to use a liquid fuel based on LiF-ThF4 mixtures. In order to develop and to optimize this concept, it is important to characterize the structure of the melt and to describe its physical and chemical properties. Our work has been based on the study of the system MF-ZrF4 (M = Li, Na, K) selected as a model of ThF4 based systems. We have combined two spectroscopic techniques, the Nuclear Magnetic Resonance and the X-ray Absorption at high temperature, with molecular dynamics calculations. We particularly focused on the local environnements of the fluorine and the zirconium. In order to interpret the NMR data obtain in the molten state, we performed a preliminary study on zirconium halides and rare earth and alkali fluorozirconates using the 91Zr solid-state NMR at very high magnetic fields. New correlations between structural parameters and NMR data have been established. At high temperature, in MF-ZrF4 melts we have shown the coexistence of three different kind of Zr-based complexes with different proportions depending on the amount of ZrF4 and on the nature of the alkali. Depending on the ZrF4 content, three kinds of fluorine have been characterized: form free fluorines at low amount of zirconium fluorides, fluorines involved in Zr-based complexes and bridging fluorines at higher ZrF4 content. This original and innovative approach of molten fluorides mixtures, combining NMR and EXAFS at high temperature with molecular dynamics calculations, is very efficient to describe their speciation and thus their fluoro-acidity.

Les développements récents dans le domaine des technologies laser ont ouvert d'intéressantes perspectives en ce qui concerne l'étude de molécules en champ électromagnétique intense. Du point de vue de la théorie, seule la molécule la plus simple H₂ et son ion H₂⁺ ont été abondamment étudiés. Expérimentalement, il est cependant malaisé d'exposer un ion moléculaire à un champ laser intense et en particulier, d'en connaître et d'en contrôler l'état vibrationnel de départ. Un montage expérimental nous a permis de déterminer l'excitation vibrationnelle accompagnant l'ionisation de H₂ par impulsions brèves et intenses. Les résultats montrent une excitation beaucoup plus faible que celle supposée pendant plus de dix ans. Cette étude a démontré qu'il est possible de produire en abondance des ions moléculaires dans un état d'excitation vibrationnelle et rotationnelle bien précis grâce à une résonance avec un état intermédiaire à fort caractère de Rydberg. Des expériences nécessitant la sélection du niveau vibrationnel initial de l'ion sont alors réalisables. Nous avons ainsi pu mesurer, en injectant dans l'anneau de stockage TSR de Heidelberg les paquets d'ions produits par notre laser nanoseconde accordable, la section efficace de recombinaison dissociative et d'excitation dissociative de H₂⁺, dans les états quantiques v⁺=0 et 1, N⁺=1, 2 et 3, et d'en observer la désexcitation vibrationnelle par collision avec des électrons lents. Ces données sont du plus grand intérêt car elles peuvent être directement comparées à la théorie sans faire intervenir de moyenne thermodynamique. Nous pouvons aussi nous intéresser au comportement d'ions parfaitement caractérisés du point de vue de leur état quantique en présence d'un champ laser bref et intense, voire d'une séquence d'impulsions. Les expériences réalisées jusqu'ici ne concernent que des ions préparés par impact électronique dans une distribution vibrationnelle de type Franck-Condon. Seuls les effets dus aux niveaux élevés ont pu être mis en évidence, ce qui pourra être évité en produisant sélectivement H₂⁺ dans les niveaux de vibration v⁺=0 ou 1. Des résultats préliminaires ont été obtenus, et une technique de piégeage a été élaborée pour pouvoir réaliser de telles expériences dans l'avenir, combinant des lasers dont le taux de répétition diffère de plusieurs ordres de grandeur.

Les verres moléculaires suscitent depuis quelques années un intérêt croissant. Tapis dans l’ombre des verres polymériques, ils se sont révélés de bien meilleurs matériaux pour des utilisations fort intéressantes en photolithographie et en optoélectronique. Un intérêt particulier pour le laboratoire est qu’un simple changement structural peut amener à des propriétés du verre fort différentes. Les travaux présentés dans ce mémoire ont été motivés par le désir de mieux comprendre cet effet micro ayant un fort impact sur le macro. Pour rendre compte de ces changements, la modélisation moléculaire devient donc un outil de choix. La raison est que celle-ci a déjà démontré toute sa force dans l’étude des polymères. Les verres moléculaires étant des analogues, et potentiellement des compétiteurs dans certaines situations, il est logique d’appliquer la méthode utilisée pour caractériser les polymères sur les verres moléculaires. La caractérisation étant faite à l’aide de la simulation atomistique, sa sensibilité au détail microscopique la rend toute désignée pour extrapoler les phénomènes microscopiques vers le macro ainsi que leurs effets potentiels sur les propriétés macroscopiques. Il s’agit en fait d’animer les molécules en effectuant une dynamique moléculaire sur le système. En plus de polymères, des verres moléculaires dérivés de la molécule triazine ont déjà été caractérisés par cette méthode. En effet, dans une étude antérieure, l’influence du changement de groupement fonctionnel de la tête sur la température de transition vitreuse et les barrières énergétiques de rotation de ces verres a été investiguée. Les résultats, prometteurs, ont motivé d’étudier ces dérivés de triazines plus en profondeur. L’étude des effets sur les propriétés macroscopiques dus aux changements structuraux des groupements ancillaires ainsi que des linkers est le but de cette recherche. Il y a deux propriétés macroscopiques ciblées. La température de transition vitreuse, très importante pour les verres puisqu’elle définit leur température d’utilisation et leurs propriétés mécaniques. Puis il y a aussi le Glass Forming Ability (GFA), qui informe sur la propension d’un verre à se cristalliser selon la vitesse de refroidissement. Les verres moléculaires étant plus sensibles à la cristallisation que leurs analogues polymériques, l’étude du GFA est très révélatrice de la viabilité d’un verre moléculaire. Les verres et leurs propriétés sont caractérisés par le volume libre, les barrières énergétiques de rotation, le déplacement quadratique moyens ainsi que les populations de paires d’angles dièdres. Ceux-ci nécessitent avant tout une préparation. Celle-ci consiste en une montée et descente en température, ce processus est aussi appelé un recuit, suivi d’une compression et dilatation mécaniques. Cette séquence est appliquée 2 fois sur les verres. Au final, ceux-ci atteignent l’équilibre mécanique, la dérivée de l’énergie par rapport à la distance du système de simulation étant égale à 0. Une dernière simulation, permettant d’obtenir des données de coordonnées des molécules, permet au système d’atteindre l’équilibre thermique et chimique. C’est seulement lorsqu’ils atteignent ces trois équilibres que les propriétés macroscopiques des verres peuvent être considérées comme valides. La série des groupements ancillaires a une relation linéaire entre les températures de transition vitreuse expérimentales et simulées. De plus, elle montre un lien direct entre l’apparition d’un GFA expérimental bas, c’est-à-dire un GFA de 1 qui indique une bonne stabilité du verre en refroidissement, et l’augmentation de l’entropie configurationnelle. Les deux séries de linkers ont aussi une relation linéaire entre leurs températures de transition vitreuse expérimentales et simulées. L’étude de leur GFA montre que les effets du mouvement dans la masse du verre ont aussi une grande importance puisqu’une grande mobilité peut être correlée avec un GFA bas.

La mise en forme des matériaux passe par la déformation à l'échelle atomique de sa structure. Cette déformation implique la création et le déplacement de défauts tels que les dislocations. La mobilité des dislocations joue un rôle majeur dans la plasticité des matériaux. Il existe différents types de dislocations se déplaçant sur différents systèmes. Actuellement les systèmes de glissement principaux sont bien connus mais les systèmes secondaires, essentiels à la bonne modélisation du comportement plastique, ne le sont pas. Notre travail est de définir les systèmes principaux et secondaires, de les hiérarchiser et de donner une valeur de la contrainte permettant l'activation de la dislocation. Nous avons pour cela choisi d’utiliser la méthode de la Dynamique Moléculaire associée à des potentiels de type Embedded Atom Method (EAM). Nous avons débuté notre étude par la comparaison des performances des différents potentiels de Zirconium et de Titane publiés dans la littérature par rapport aux propriétés plastiques et élastiques obtenues expérimentalement ou par méthode ab initio. Nous avons ensuite étudié les dislocations coins dans les plans prismatiques 1, basal et pyramidal type 1. Nous avons calculé les cissions critiques d'activation de ces dislocations dans le Zirconium et le Titane. Nous nous sommes enfin intéressés aux énergies de fautes des différents plans de glissement du Zirconium et du Titane. Nous avons pour cela calculé toutes les surfaces γ de ces deux métaux. Nous avons comparé les résultats obtenus par dynamique moléculaire à des résultats obtenus par méthode ab initio. Nous avons ensuite donné un classement des différents plans de glissement / The forming of a material requires the deformation at an atomic level of his structure. This deformation involves the creation and movement of defaults like the dislocations. The dislocations mobility plays a major role in the plasticity of the materials. There are different types of dislocations gliding on different gliding systems. Currently the principal gliding systems are well known but the secondary systems aren't. Our work is to define the principal and the secondary gliding systems, to rank them and to calculate the value of the critical resolved shear stress responsible for the dislocation movement. For that we chose to use Molecular Dynamics with EAM (Embedded Atom Method) potentials. We began our studies by comparing the results of several EAM potentials for Zirconium and Titanium to the plastic and elastic properties obtained experimentally or by ab initio calculation.We studied edge dislocations in the prismatic, basal and pyramidal 1 planes. We calculated the critical resolved shear stress of these dislocations in Zirconium and Titanium. Finally we got interested in the fault energies of several gliding planes of Zirconium and Titanium. For that we calculated the γ surfaces of those planes. We compared results obtained by molecular dynamics to results obtained by ab initio calculation. We finally gave a classification of those planes

Cette thèse s'insère dans un projet de caractérisation de verres et de vitrocéramiques fluorés dopés par des ions de terre rare. L'intérêt de tels matériaux et de pouvoir réaliser des systèmes ultra transparents avec de faibles pertes et également avec des fréquences de phonon faibles évitant les processus habituels qui limitent le rendement d'émission laser. L'étude s'articule sur deux aspects : spectroscopie expérimentale et modélisation. Les mesures en spectroscopie d'émission avec sélection de site offrent la possibilité de sonder le milieu autour des ions luminescents. Des mesures de déclin de luminescence sont un complément pour bien caractériser l'influence du milieu sur les ions luminescents. La connaissance des propriétés spectroscopiques de ces ions est fondamentale pour savoir comment avoir de bons rendements d'émission et des largeurs et formes de bandes adéquates pour les applications. L'environnement de la terre rare dans le verre de départ et dans la vitrocéramique est étudié par dynamique moléculaire, suivies de la simulation des spectres de luminescence, L'originalité de la méthode employée est d'introduire dans la structure des ions luminescents, d'en déterminer l'environnement et de calculer à partir de cet environnement le champ cristallin éprouvé par l'ion luminescent et de remonter à sa spectroscopie.

Ce travail est consacré à l'étude du comportement de la matière condensée soumise à une perturbation via l'isomérisation de molécules sondes photochromes du type azo-benzènes. Une description microscopique de la matière est utilisée de manière à obtenir une meilleure compréhension des processus physiques donnant lieu à la formation des réseaux de relief en surface (SRG) dans ce type de matériaux, processus toujours incompris. L'étude utilise des simulations à l'échelle atomique par dynamique moléculaire hors d'équilibre 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. La photoisomérisation est introduite de manière périodique, par une modification continue des photochromes de la forme trans vers la forme cis et inversement. De manière à déterminer l'effet des longueurs de chaînes du polymère hôte, des matrices de degrés de polymérisation variées sont utilisées dans cette étude ainsi que des polymères “vivants” en cours de polymérisation. Une modification des propriétés de transport engendrant des mouvements massifs de matière en dessous de la température de transition vitreuse est observée ainsi qu'une stimulation de la coopérativité intrinsèque de la matrice hôte.

Les canaux ioniques voltage-dépendants (CIVD) sont des protéines transmembranaires ubiquitaires impliquées dans la transmission de signaux électriques dans les cellules excitables. Lors de variations du potentiel transmembranaire, ces canaux subissent un changement conformationnel donnant lieu à leur ouverture, médié par des résidus basiques conservés appartenant au domaine sensible à la tension (DST). De nombreux détails de leur fonction ont été révélés par des années de mesures expérimentales mais des questions fondamentales sur leur dynamique à l'échelle moléculaire restent d'actualité. Partant de la structure cristallographique du canal potassique du rat Kv1.2 ouvert, nous avons mené des simulations de dynamique moléculaire du canal inséré dans son environnement lipidique soumis à un potentiel hyperpolarisant. Nous avons suivi la désactivation du DST et ainsi découvrir trois états intermédiaires entre les conformations ouverte et fermée. Les calculs de la charge liée à l'activation ou encore les contacts moléculaires sont en accord avec les résultats expérimentaux, et nous proposons un modèle de la désactivation complète qui réconcilie les modèles divergents. Utilisant ce modèle, nous avons caractérisé certains aspects de la modulation des CIVD: la mutation de résidus basiques spécifiques de S4 impliqués dans des maladies génétiques induit l'apparition de courants de fuite « oméga » en accord avec l'expérience et nous expliquons en partie la modification de la dépendance au voltage des CIVD lorsque les lipides avoisinants sont modifiés chimiquement. Nous concluons en étendant cette étude aux canaux humains de la famille des Kv7 qui sont d'importance physiologique. / Voltage gated ion channels (VGCs) are ubiquitous transmembrane (TM) proteins involved in electrical signaling in excitable cells. Their gating (opening-closing), triggered by changes in the TM voltage, proceeds through a sensing mechanism involving conserved positively charged residues belonging to the voltage sensor domain (VSD). Details on the function of such channels have been revealed thanks to decades of experimental investigations but questions concerning the molecular level function of these proteins still remain under active debate. Starting from the "open state" crystal structure of the rat potassium VGC Kv1.2, we have carried out large-scale all-atom molecular dynamics simulations of the channel embedded in its lipidic environment submitted to a hyperpolarized potential. This allowed to follow the deactivation of the VSD and to uncover three intermediate states between the open and closed conformations. We report gating charge calculations or else state dependent molecular contacts that comply with experimental results and propose accordingly a model of the entire deactivation that conciliates the diverging views proposed so far. Using this model, we further characterize at the molecular level the modulation mechanisms of VGCs: specific mutations of basic residues of the VSD involved in genetic diseases are shown to induce state-dependent "omega" leak currents, in agreement with electrophysiology and a partial conclusion is proposed to explain the alteration of VGC voltage-dependency when the lipids embedding them are chemically modified. We conclude by extending this study to human VGCs (Kv7 family) of physiological relevance.

Le récepteur à chimiokine CXCR4 est à ce jour l’un des récepteurs couplés aux protéines G les plus étudiés. Le CXCL12, sa chimiokine endogène induit l’activation de plusieurs voies de signalisation cruciales à plusieurs processus physiologiques. Par ailleurs, dans de nombreux processus pathologiques comme le cancer, le récepteur CXCR4 et/ou son ligand endogène sont surexprimés et facilite la dissémination et le maintien de conditions favorables à la prolifération cancéreuse. Afin d’étudier le récepteur CXCR4 et sa signalisation, notre approche vise à développer des ligands ciblant le CXCR4 en se basant sur CXCL12. Par des études de relation structure-activité et du design rationnel, nous avons conçu des chimères du CXCR4. Ces outils pharmacologiques nous permettent de mieux extraire les déterminants structuraux impliqués dans l’activation du CXCR4 mais aussi d’étudier les voies de signalisation associées à ces nouvelles entités chimiques. Nos données de relation structure-activité ont permis de mettre en évidence deux positions clés sur le N-terminal de nos chimères, la position 3 et la position 7 cruciales pour l’affinité et l’efficacité respectivement. Nous avons pu moduler l’efficacité ainsi que l’affinité de nos chimères en introduisant des acides aminés non naturels capables de potentialiser l’effet pharmacologique. Nous avons également corrélé nos résultats de SAR avec de la dynamique moléculaire réalisée à partir des deux structures cristallographiques du CXCR4. Nos données de dynamique moléculaire montrent des différences structurales importantes au niveau des domaines transmembranaires 3 et 7 en présence ou non de nos chimères. Par ailleurs, nous avons développé un nouveau déterminant avec des propriétés pharmacocinétiques améliorées comparativement au déterminant d’affinité des chimères de première génération. La caractérisation de ce déterminant a par ailleurs révélé son caractère agoniste inverse. Tous ces résultats apportent des éléments clés pour un meilleur design de molécules à visée thérapeutique ciblant le CXCR4.

L'interférence des ondes de phonon peut modifier le spectre de phonon et ainsi la vitesse de groupe et la population de phonon. Ces interférences permettent de manipuler le flux d'énergie thermique en contrôlant la conductivité thermique et en utilisant les miroirs pour réfléchir les phonons. L'application technologique d'interférence de phonons dans les matériaux, par exemple la conversion renforcée thermoélectrique d'énergie et l'isolation améliorée thermique, a propulsé l'exploration des matériaux avec les interférences de phonons plus efficace.Dans un premier temps, nous proposons une nouvelle approche pour démontrer que la chaleur dans les solides peut être manipuler comme la lumière. Nous contrôlons avec précision le flux thermique par un métamatériau à l'échelle atomique qui comporte des défauts dans le réseau cristallin. L'interférence destructive entre les ondes de chaleur en suivant différents chemins mène à la réflexion totale de phonon et à une réduction remarquable de la conductance thermique. En exploitant cette interférence, nous modélisons une possibilité contre-intuitif de transport thermique: plus de chaleur est bloquée par l'ouverture des chaînes additionnelles de phonon. Le métamateriau thermique est un bon candidat de miroir atomique thermique de haute finesse. Nous renforçons la compréhension sur le contrôle cohérente des phonons qui peuvent être appliquée à la fois au son et à la propagation de chaleur.Dans un deuxième temps, nous introduisons un nano condensateur ultra-compacte de phonons cohérents formé par les miroirs d'interférence de haute finesse basée sur le métamatériau semi-conducteur à l'échelle atomique.Nos simulations de dynamique moléculaire montrent que le nano condensateur stocke les ondes monochromatiques térahertz, qui peuvent être utilisés pour un laser de phonon - l'émission de phonons cohérents. Un laser de phonon soit d'une ou de deux couleurs peut être réalisé en fonction de la géométrie du nano dispositif. Le stockage des phonons cohérents peut être réalisé par le refroidissement de la nano condensateur initialement thermalisé à la température ambiante ou par la technique pump-sonde. Le rétrécissement de la largeur de raie et de le nombre relatif de participation de phonon confirme un confinement dans la nanocavité par une quantité extrêmement faible de défauts de résonance. L'émission des faisceaux acoustiques cohérents en térahertz de la nano condensateur peuvent être réalisés en appliquant une contrainte réversible accordable qui décale les fréquences d'antirésonance.Enfin, nous étudions l'effet d'interférences destructrice de phonon à deux-chemin induite par les forces interatomiques de longue portée sur la conductance thermique et la conductivité d'un alliage silicium-germanium par des calculs atomiques. La conductance thermique à travers un plan atomique de germanium dans le réseau de silicium est sensiblement réduit par l'interférence destructrice du chemin de phonon entre les voisins les plus proches avec l'interaction directe contournant les atomes de défauts. Une réduction quintuple dans la conductivité thermique dans un alliage SiGe à la température ambiante a été observée en introduisant les forces de longue portée. Nous démontrons le rôle prédominant des interférences de phonons harmoniques régissant la conductivité thermique de matières solides en supprimant la diffusion inélastique de phonon à basse température. De telles interférences fournissent un mécanisme résistif harmonique pour contrôler la conduction de chaleur à travers les comportements cohérents de phonons dans les solides. / Wave interference of phonons can modify the phonon spectrum and thereby the group velocity and phonon population. These wave interferences allow the flow of thermal energy to be manipulated by controlling the materials lattice thermal conductivity and using thermal mirrors to reflect thermal phonons.The technological application of the phonon interference in materials, such as enhanced thermoelectric energy conversion and improved thermal insulation,has thrusted the exploration for highly efficient wave interference materials. First, we provide a new approach to demonstrate that heat in solids can be manipulated like light. We precisely control the heat flow by the atomic-scale phononic metamaterial, which contains deliberate flaws in the crystalline atomic lattice,channeling the heat through different phonon paths. Destructive interference between heat waves following different paths leads to the total reflection of the heat current and thus to the remarkable reduction in the material ability to conduct heat. By exploiting this destructive phonon interference, we model a very counter-intuitive possibility of thermal transport: more heat flow is blocked by the opening of the additional phonon channels. Our thermal metamaterial is a good candidate for high-fi nesse atomic-scale heat mirrors. We provide an important further insight into the coherent control of phonons which can be applied both to sound and heat propagation.Secondly, we introduce a novel ultra-compact nanocapacitor of coherent phonons formed by high-finesse interference mirrors based on atomic-scale semiconducto rmetamaterials. Our molecular dynamics simulations show that the nanocapacitor stores monochromatic terahertz lattice waves, which can be used for phonon lasing - the emission of coherent phonons. Either one- or two-color phonon lasing can be realized depending on the geometry of the nanodevice. The two-color regime of the interference cavity originates from different incidence-angle dependence of phonon wave packet transmission for two wave polarizations at the respective antiresonances. Coherent phonon storage can be achieved by cooling the nanocapacitor initially thermalized at room temperature or by the pump-probe technique. The line width narrowing and the computed relative phonon participation number confirm strong phonon confinement in the interference cavity by an extremely small amount of resonance defects. The emission of coherent terahertz acoustic beams from the nanocapacitor can be realized by applying tunable reversible stress which shifts the antiresonance frequencies.Finally, we investigate the role of two-path destructive phonon interference induced by long-range interatomic forces on the thermal conductance and conductivityof a silicon-germanium alloy by atomistic calculations. The thermal conductance across a germanium atomic plane in the silicon lattice is substantially reduced by the destructive interference of the nearest-neighbour phononpath with a direct path bypassing the defect atoms. Such an interference causes a fivefold reduction in the lattice thermal conductivity in a SiGe alloy at room temperature. We demonstrate the predominant role of harmonic phonon interferences in governing the thermal conductivity of solids by suppressing the inelastic scattering processes at low temperature. Such interferences provide a harmonic resistive mechanism to explain and control heat conduction through the coherent behaviours of phonons in solids.