La dynamique de fragmentation des molécules poly-atomiques est un problème compliqué du fait de l'existence de couplages entre leurs différents degrés de liberté. Dans le but de comprendre le rôle de ces couplages, nous avons étudié la fragmentation de molécules triatomiques induite par impact d'ions rapides multichargés. L'intérêt de ces ions est de conduire à une ionisation multiple de la molécule au cours d'une interaction d'une durée de quelques attosecondes (10-18s). Ce temps est suffisamment bref pour que la relaxation, par fragmentation, de l'ion moléculaire ainsi créé se fasse hors de toute perturbation extérieure. Les premières études réalisées sur le CO2 soumis aux ions Ni24+ de 8 MeV/u ont montré que la fragmentation de l'ion moléculaire CO2q+ pouvait être modélisée par une fragmentation concertée synchrone (q=3) ou une fragmentation concertée asynchrone (q=2), i.e. par l'intermédiaire d'un mode de vibration asymétrique de la molécule. Nous avons réalisé des expériences avec des molécules non linéaires telles que NO2, D2O, H2O et HDO pour lesquelles les couplages entre degrés de liberté sont différents de ceux rencontrés dans les molécules linéaires comme CO2, et ainsi tester ce modèle de dissociation plus sévèrement. Dans le cas de fragmentation du NO22+ induite par des ions Ne8+ de 4.7Mev/u, des fortes différences, par rapport à CO22+, ont été observées en raison de la contribution de la géométrie. La fragmentation de HDO2+ a permis de confirmer à haute et basse énergie de collision, un important effet isotopique: la rupture de la liaison O-H est 5.7 fois plus probable que celle de la liaison O-D.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé en milieu gazeux est un phénomène décrit par un modèle à trois étapes: sous l'effet d'un champ laser intense, un atome (ou une molécule) est ionisé par effet tunnel. L'électron éjecté est par la suite accéléré dans le champ laser, avant de se recombiner sur son ion parent en émettant un photon XUV. D'abord utilisée dans le but de développer des sources de rayonnement secondaire dans le domaine XUV, la génération d'harmoniques d'ordre élevé est également un bon candidat pour sonder la structure électronique des atomes ou des molécules, avec une résolution potentielle de l'ordre de l'attoseconde dans le domaine temporel (1 as=10-18 s) et sub-nanométrique dans le domaine spatial. Au cours des travaux réalisés pendant cette thèse, nous avons étudié la sensibilité des caractéristiques du rayonnement harmonique (amplitude, état de polarisation, phase) à la structure électronique du milieu de génération. Ces études ont été menées tout d'abord dans un milieu atomique couramment utilisé en génération d'harmonique, l'argon, puis dans des milieux moléculaires (N2, CO2, O2). La confrontation de ces mesures avec différentes simulations numériques montre la nécessité de modéliser de façon détaillée le processus de génération, dépassant certaines hypothèses généralement admises. Nous avons également montré la possibilité d'utiliser la spectroscopie d'harmoniques d'ordre élevé afin de mesurer des dynamiques moléculaires de systèmes complexes (notamment le dioxyde d'azote NO2), pour lesquelles les mesures harmoniques peuvent obtenir des résultats complémentaires aux autres techniques couramment utilisées. Dans le cas d'excitations moléculaires peu efficaces, nous avons pu adapter des techniques de spectroscopie optique conventionnelle au domaine spectral des harmoniques d'ordre élevé, améliorant de manière significative le rapport signal/bruit.

<p align="justify"> Depuis les premiers développements de la physique statistique réalisés au 19ème siècle, nombreux ont été les travaux dédiés à la relation entre les processus macroscopiques em>irréversibles</em>(tels que les phénomènes de transport) et les propriétés de la dynamique <em>réversible</em> des atomes et des molécules. Depuis deux décennies, l'<em>hypothèse du chaos microscopique</em> nous en apporte une plus grande compréhension. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement aux propriétés de <em>viscosité</em>. <br /><br /> Dans ce travail, nous considérons des systèmes périodiques de particules en interaction. Nous proposons une nouvelle méthode de calcul de la viscosité valable pour tous systèmes périodiques, quel que soit le potentiel d'interaction considéré. Cette méthode est basée sur la formule dérivée par Helfand exprimant la viscosité en fonction de la variance du <em>moment de Helfand</em> croissant linéairement dans le temps.<br /><br /> Dans les années nonante, il a été démontré qu'un système composé de seulement deux particules présente déjà de la viscosité. Les deux disques <em>durs</em> interagissent en collisions élastiques dans un domaine carré ou hexagonal avec des conditions aux bords périodiques. Nous appliquons notre méthode de calcul des propriétés de viscosité dans les deux réseaux. Nous donnons également une explication qualitative des résultats obtenus. <br /><br /> L'étude de la relation entre les propriétés de viscosité et les grandeurs du chaos microscopique représente l'une des principales tâches de cette thèse. Dans ce contexte, le <em>formalisme du taux d'échappement</em> joue un rôle majeur. Ce formalisme établit une relation directe entre cette grandeur et la viscosité. Nous étudions numériquement cette relation et la comparaison avec les résultats obtenus par notre méthode sont excellents. <br /><br /> D'autre part, le formalisme du taux d'échappement suppose l'existence d'un <em>répulseur fractal</em>. Après avoir mis en évidence son existence, nous appliquons le formalisme proposant une formule exprimant la viscosité en termes de l'exposant de Lyapunov du système (mesurant le caractère chaotique de la dynamique)et de la dimension fractale du répulseur. L'étude numérique de cette relation dans le modèle à deux disques durs est réalisée avec succès et sont en excellent accord avec les relations obtenus précédemment. <br /><br /> Enfin, nous nous penchons sur les systèmes composés de <em>N</em> disques durs ou sphères dures. Après une étude de l'équation d'état et des propriétés chaotiques, nous avons exploré les propriétés de viscosité dans ces systèmes. Les données numériques obtenues sont en très bon accord avec les prévisions théoriques d'Enskog. D'autre part, nous avons utilisé notre méthode de calcul de la viscosité dans des systèmes de Lennard-Jones. De plus, nous avons proposé une méthode analogue pour le calcul numérique de la <em>conduction thermique</em>. Nos résultats sont en très bon accord avec ceux obtenus par la méthode de Green-Kubo. </p> <br /><br /> <p align="justify"> In this thesis, we first devote a section on the history of the concept of irreversibility; of the hydrodynamics, branch of physics in which the viscosity appears; of the kinetic theory of gases establishing relationships between the microscopic dynamics and macroscopic processes like viscosity; and, finally, the interest brought in statistical mechanics of irreversible processes by the theory of chaos, more precisely, the microscopic chaos. We propose a method based on the Helfand moment in order to calculate the viscosity properties in systems of particles with periodic boundary conditions. We apply this method to the simplest system in which viscosity already exists: the two-hard-disk model. The escape-rate formalism, establishing a direct relation between chaotic quantities of the microscopic dynamics (e.g. Lyapunov exponents, fractal dimensions, etc.), is applied in this system. The results are in excellent agreement with those obtained by our Helfand-moment method. We extend the calculation of the viscosity properties to systems with more than two hard balls. Finally, we compute viscosity as well as thermal conductivity thanks to our own method also based on the Helfand moment. </p>

<p align="justify">Une contribution à l'étude de la dynamique des polymères non enchevêtrés à l'état fondu est apportée, en se focalisant sur les aspects de dynamique locale d'un polymère particulier déjà fort étudié expérimentalement et par simulation, à savoir le polyéthylène.</p> <p align="justify">Néanmoins, plusieurs nouveaux résultats spécifiques à cette macromolécule linéaire ou ayant une portée sur les fondus de polymères en général sont obtenus grâce à une approche présentant plusieurs aspects originaux.</p> <p align="justify">Notre étude par simulation de la phase liquide du polyéthylène est menée sur une large gamme de températures. La nouveauté principale à ce sujet est l'attention particulière portée à la qualité d'équilibration des échantillons à chaque température. A cette fin, des techniques sophistiquées d'échantillonnage Monte Carlo, mises au point récemment, ont été utilisées pour générer des configurations initiales, la phase de polyéthylène à l'état fondu ainsi obtenue pouvant être stable ou métastable. Un programme original de Dynamique Moléculaire a par ailleurs été écrit, en incorporant diverses procédures d'optimisation adaptées au cas du polyéthylène représenté par un modèle atomistique.</p> <p align="justify">Des observables de diffusion quasi-élastique de neutrons et de résonance magnétique nucléaire sont analysées sur base d'une combinaison linéaire continue d'exponentielles, dont les poids sont donnés par une distribution des temps de relaxation. Cette méthode permet de mieux mettre en évidence les différents processus de relaxation sondés, en évitant les biais induits par un choix particulier de forme analytique servant à une procédure d'ajustement.</p> <p align="justify">Ayant participé à une expérience de spectroscopie par temps de vol de neutrons, un schéma commun d'analyse est adopté pour les données expérimentales et de simulation concernant le polyéthylène à 450 K. D'autre part, une étude très fouillée de l'évolution de la fonction de diffusion intermédiaire incohérente vers les températures plus basses, suivie par simulation, a permis de distinguer différents processus dynamiques et de déterminer parfois leur origine moléculaire.</p> <p align="justify">Ces résultats sont combinés à une analyse de la fonction d'auto corrélation d'orientation d'un vecteur C-H en termes d'une description microscopique des processus dynamiques, proposée lors d'une étude récente de fondus de polyéthylène par résonance magnétique nucléaire du 13C. Deux approches complémentaires sont exploitées afin de révéler les caractéristiques essentielles des deux types de relaxation impliqués.</p>

Les protéines fluorescentes, comme la GFP (green fluorescent protein), sont des protéines naturellement fluorescentes qui sont utilisées pour leur rôle de marqueur, permettant de localiser des protéines dans les cellules et d'en suivre les déplacements. De nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées ces dix dernières années sur les protéines fluorescentes. De là, se forge une compréhension essentiellement qualitative du rôle de la protéine vis-à-vis de l'obtention ou non d'une émission radiative : il apparaît que la protéine permet la fluorescence en bloquant les processus qui la désactivent ; ces processus de désactivation sont très rapides et efficaces (à l'échelle de la picoseconde) dans le cas du chromophore seul, et ils sont bien identifiés comme étant des torsions autour des liaisons intercycles (tau et phi). Dans la protéine, la sensibilité des temps de vie de fluorescence à des mutations proches ou non du chromophore, à des modifications de pH ou de température laisse supposer un contrôle de la dynamique du chromophore par différents paramètres, sans qu'ils soient pour autant identifiés et mis en relation.Une étude de la dynamique de la protéine permettrait de faire la lumière sur les mécanismes responsables de ces phénomènes photophysiques pour lesquels une analyse structurale ne suffit pas. Cependant l'étude de la dynamique est limitée par la taille du système (>30 000 atomes), par l'échelle de temps des phénomènes photophysiques considérés (dizaine de nanosecondes) et par le fait que les deux torsions tau et phi sont fortement couplées dans l'état excité du chromophore. Ces trois facteurs excluent les méthodes de dynamique existantes aujourd'hui ; dynamique quantique (AIMD), dynamique mixte classique-quantique (QM/MD) et dynamique moléculaire classique (MD).Nous avons surmonté le problème par la modélisation de la surface d'énergie potentielle de torsion du chromophore à l'état excité basée sur des calculs quantiques de haute précision, par une interpolation des valeurs obtenues par une expression analytique appropriée en fonction des angles de torsion tau et phi et avec une précision suffisante pour reproduire des barrières de l'ordre de la kcal/mol, et enfin, par l'implémentation de cette expression analytique dans le programme parallèle AMBER. Une deuxième difficulté théorique concerne la simulation et l'analyse statistique d'événements peu fréquents à l'échelle de la nanoseconde, et dont on ne connait pas le chemin de réaction, ici les déformations de la protéine et du chromophore conduisant aux géométries favorables à la conversion interne. Grâce à ces développements et aux simulations qu'ils ont permises, nous avons réalisé la première modélisation de la désactivation non-radiative par conversion interne à l'échelle de la nanoseconde dans trois protéines fluorescentes différentes. L'analyse des dynamiques moléculaires classiques nous donne une évaluation quantitative des temps de vie de l'extinction de fluorescence, en accord avec les données expérimentales. Par ailleurs elle nous a permis d'identifier les mouvements moléculaires concertés de la protéine et du chromophore conduisant à cette extinction. De ces résultats, émerge une représentation plus complète du mécanisme qui libère la torsion du chromophore ou qui la déclenche : il peut venir d'un mouvement spécifique de la protéine, qui se produit à l'échelle de la nanoseconde, ou bien de plusieurs mouvements spécifiques, plus fréquents (rupture de liaisons hydrogène, rotation de chaînes latérales, dynamique d'agrégats d'eau), mais qui coïncident seulement à l'échelle de la nanoseconde. Ces mouvements spécifiques n'ont pas un coût énergétique important mais la nécessité de leur coïncidence crée un délai de l'ordre de quelques nanosecondes alors que dans le vide la torsion se produit en quelques picosecondes. Dans le cas des protéines étudiées, on a identifié en grande partie les mécanismes et les acides aminés qui sont impliqués.

Les ARN, seules molécules à la fois informatives et catalytiques, interviennent à tous les niveaux de la vie cellulaire. Pour certaines molécules d'ARN, comme les ARN messagers, la fonction réside dans la séquence. Pour d'autres, comme les ARN de transfert, la fonction réside dans l'adoption et le maintien d'une structure tridimensionnelle compacte. Ces derniers, dits ARN structurés, nécessitent des ions Mg2+ pour maintenir leur structure tertiaire et assurer leur fonction de catalyse. Dans l'équipe d'Eric WESTHOF, de nombreux modèles tridimensionnels de ces ARN structurés, élaborés à partir de contraintes fournies par des méthodes de cartographie chimique en solution et de comparaison de séquences, ont été construits. Ces modèles regroupent l'ensemble des données expérimentales existantes pour un système donné et permettent ainsi de proposer des mécanismes de réaction ou de reconnaissance pertinents. Toutefois, ces modèles ne prétendent pas atteindre la résolution atomique de structures cristallographiques. C'est pourquoi des méthodes de simulations de dynamique moléculaire (DM) sont développées afin d'affiner les structures modélisées et, ultérieurement, de mieux comprendre les relations structure-fonction de ces ARN.<br /> Les progrès récents dans les techniques de simulation de DM réalisés au laboratoire, nous permettent maintenant de simuler la dynamique de molécules de la taille d'un ARN de transfert ou de petits ribozymes avec un degré de précision jusqu'alors rarement atteint. Pour mieux comprendre les fonctions des ARN, qui sont par nature des processus dynamiques, nous utilisons les méthodes de DM pour compléter les informations structurales fragmentaires qui sont disponibles sur l'hydratation de ces ARN et le rôle d'agents structurants (ions monovalents, divalents et anions). En effet, cette connaissance préalable est indispensable pour la compréhension du repliement et de la stabilité de ces ARN. De plus, elle contribuera à la construction de modèles structuraux plus précis. Parmi les systèmes que nous nous proposons d'étudier se trouvent les ARN de transfert ainsi que des fragments d'ARN ribosomaux. Des complexes entre ARN et antibiotiques ainsi que des complexes ARN/protéines sont en cours d'étude.

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier l'influence d'un environnement de gaz rare sur les propriétés statiques et dynamiques de petites molécules de sodium. Les différentes propriétés physicochimiques de ce système permettent une modélisation à deux niveaux dans laquelle seuls les degrés de liberté associés aux électrons de valence de la molécule sont traités quantiquement. Nous avons développé une approche générale permettant de traiter le problème de la structure électronique de la molécule immergée par une méthode d'interaction de configurations, dans laquelle ses noyaux et les atomes de gaz rare sont traités en dynamique moléculaire classique d'atomes polarisables.<br />En adaptant ce modèle théorique, à l'atome et aux dimères de sodium immergés dans des matrices d'argon, nous avons déterminé la géométrie d'équilibre et les propriétés spectrales de ces systèmes. Le site de piégeage le plus favorable du dimère est différent selon qu'il soit chargé ou pas. Nous retrouvons ce résultat de manière dynamique si l'on procède à l'ionisation du Na2 immergé. <br />En étudiant la dynamique sur le premier état excité de Na2+, nous avons observé l'importance de la taille de la matrice sur la dissociation de ce dimère. Nous avons ainsi déterminé un nombre critique d'argon au-delà duquel la dissociation est empêchée dû à un changement de site du Na2+ au sein de sa rangée d'insertion. Mais en introduisant les couplages non adiabatiques au moyen d'un algorithme de saut de surfaces, ce changement de site, observé pour les systèmes comportant plus d'une centaine d'argon, est avorté grâce à une désexcitation non radiative vers l'état fondamental au bout de quelques picosecondes.

Les hypersensibilités allergiques médicamenteuses sont des pathologies mettant en jeu le système immunitaire et induites par la prise de médicaments. Notre travail s'est décomposé en quatre étapes successives : 1- Nous avons classé les β-lactamines en fonction de leurs champs moléculaires, et obtenons un dendrogramme de 4 familles, validé par les données cliniques. Nous avons également réalisé une étude de 3D-QSAR visant à connaître les parties du médicament impliquées dans la pathologie, et à prédire l'allergénicité des β-lactamines. 2- Partant de l'hypothèse que les β-lactamines sont des haptènes, nous avons étudié leur réactivité vis-à-vis d'acides aminés de type lysine et sérine. Nous avons ensuite réalisé des expériences de " docking " afin de définir les interactions entre le médicament et l'albumine sérique humaine. Nous concluons que les sites des lysines 190 et 212 sont les plus adaptés pour la fixation covalente de la drogue et avons validé cette analyse par des méthodes mixtes QM/MM. Enfin, grâce à notre logiciel SuMo, nous avons déterminé d'autres protéines candidates pour l'hapténisation. 3- S'agissant des HyperSensibilités Allergiques Immédiates, nous avons modélisé les différents partenaires que sont les IgE, la β-lactamine portée ou non par une protéine. Nous avons envisagé plusieurs modes de reconnaissance. D'autre part, nous avons analysé les modifications de la protéine, induites par la fixation de la drogue. 4- Concernant les HSA retardées, nous avons émis plusieurs scénarios de reconnaissance de la β-lactamine par le TCR. Nous avons modélisé différents complexes impliquant le TCR, le peptide hapténisé par le médicament, un ion éventuel, ainsi que le CMH, et les soumettons à des dynamiques moléculaires afin d'en étudier la pertinence. D'autre part, nous avons déterminé plusieurs peptides, issus des protéines d'hapténisation et susceptibles de présenter le médicament au TCR, via le CMH. L'ensemble des résultats obtenus est ou sera validé par des expériences in vitro et in vivo.

Trois processus qui ont lieu dans un réacteur à plasma ont été étudiés au moyen de simulations de dynamique moléculaire: le chauffage et la fusion des agrégats de silicium hydrogéné par des réactions avec l'hydrogène atomique, la guérison induite par l'hydrogène des surfaces de silicium auparavant endommagées par l'impact violent d'agrégats, et la croissance épitaxiale des couches minces catalysée par des agrégats de silicium hydrogéné. Deux agrégats de silicium hydrogéné qui représentent des structures amorphes et cristallines sont choisis pour être exposés à l'hydrogène atomique comme dans un réacteur à plasma réaliste. Nous avons étudié quantitativement comment les agrégats chauffent et fondent par des réactions avec des atomes d'hydrogène. Une surface de silicium qui a été partiellement endommagée par l'impact violent d'un agrégat a été traitée par des atomes d'hydrogène. Nous avons observé que la surface du silicium mal définie est réarrangée à sa structure cristalline initiale après l'exposition à l'hydrogène atomique ; à savoir, en raison de la dynamique de réaction de surface avec des atomes d'hydrogène, les atomes de silicium de l'agrégat de silicium hydrogéné sont positionnés dans une structure épitaxiale de la surface. Ensuite, nous avons effectué une étude approfondie sur la dynamique du dépôt des agrégats de silicium hydrogéné sur un substrat de silicium cristallin en contrôlant les paramètres régissant le dépôt d'agrégat sur la surface. Nous avons trouvé que la croissance épitaxiale de couches minces de silicium peut être obtenue à partir de dépôts d'agrégats si les énergies d'impact sont suffisamment élevées pour que les atomes de l'agrégat et des atomes de la surface touchant l'agrégat subissent une transition de phase à l'état liquide avant d'être recristallisés dans un ordre épitaxial. Ce processus est d'une importance cruciale pour améliorer la croissance épitaxiale à grande vitesse des couches minces de silicium à basse température en utilisant la technique PECVD (" Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ") pour des applications industrielles.

Ce travail est consacré à l’étude de la coalescence de gouttelettes liquides à l’échelle du nanomètre. Nous nous sommes intéressés principalement à l’évolution du changement topologique des gouttelettes à partir de la rupture des surfaces au moment du contact initial jusqu’à la coalescence complète. Nous utilisons la dynamique moléculaire afin de simuler plusieurs types de gouttelettes soit en utilisant le potentiel empirique de type Stillinger-Weber pour des gouttelettes de silicium (l-Si) en 3 dimensions et le modèle Embedded Atom Method pour des gouttelettes de cuivre liquide (l-Cu) en 2d, quasi-2d (disques) et 3 dimensions. Qualitativement, toutes les simulations démontrent une coalescence similaire indépendamment de la dimension de calcul (2d à 3d), de la taille et de la température initiale des gouttelettes. La coalescence évolue par une déformation rapide des surfaces sans mixage important entre les atomes des deux gouttelettes initiales. De plus, nous étudions l’évolution du col de coalescence formé lors du contact initial entre les gouttelettes et, pour les systèmes en 3d, nous observons une transition claire d’un régime visqueux vers un régime inertiel du rayon de ce col, tel que suggéré par des modèles théoriques. Pour les gouttelettes de cuivre nous observons exactement le comportement des prédictions analytiques et confirmons que le premier régime suit un comportement visqueux sans aplatissement local des gouttelettes. La situation est différente pour les gouttelettes de l-Si où nous observons un effet plus grand, par rapport aux prédictions analytiques, du rayon et de la température initiale des gouttelettes sur l’évolution du col de coalescence. Nous suggérons que les paramètres décrivant l’évolution de la coalescence dépendent des propriétés des matériaux utilisés contrairement à la théorie universelle couramment utilisée. / In this work we studied the coalescence of liquid nanodroplets and more specifically the topological deformation from their rupture at the initial contact to the full coalescence. We used molecular dynamics to simulate various liquid droplets: 3 dimension liquid silicon (l-Si) droplets using the Stillinger-Weber potential as well as 2d, quasi-2d (discs) and 3d liquid copper (l-Cu) droplets using the Embedded Atom Model semi empirical potential. All simulations showed similar qualitative coalescence independently of initial size and temperature for 2d, quasi-2d and 3d systems: the topological deformation evolved quickly without any important mixing taking place between atoms from both droplets. Furthermore, we studied the evolution of the radius of the liquid bridge formed between the droplets and demonstrated that it is possible to observe, using molecular dynamics, a transition from a viscous to inertial regime of this bridge, as suggested by analytical models. Studying the l-Cu droplets, we observe exactly the analytical predicted behavior of the coalescence evolution and confirm that the initial regime follows a viscous driven mechanism without any local flattening of the droplets. The results are different with the l-Si droplets where we observe a greater effect, compared to analytical models, of the initial droplets radius and temperature on the bridge evolution. This suggests that the parameters describing the coalescence process are dependent of the properties of the materials used in the coalescence instead of the present universal accepted models.