Ce travail de thèse présente les résultats obtenus lors de l'étude des mécanismes élémentaires à l'origine de la forte conduction protonique mesurée dans le cas de clathrates hydrates d'acides forts. Une méthodologie combinant diffusion neutronique, résonance magnétique nucléaire et simulation de dynamique moléculaire "ab-initio" a permis de modéliser les différents processus dynamiques impliqués, se produisant sur des temps allant de la nanoseconde à la femtoseconde. Le modèle proposé explique la forte conduction de ces systèmes aqueux par la délocalisation à longue distance de leurs protons résultant d'un mécanisme de type Grotthuss gouverné par la relaxation des molécules aqueuses environnant les protons en excès.

Ce travail se place dans le cadre de la recherche de céramiques susceptibles de fonctionner à plus hautes température que la zircone yttriée, le système le plus employé actuellement pour constituer la couche isolante des barrières thermiques de turbines, aéronautiques ou terrestres. Une analyse des critères auxquels doit répondre une telle céramique a conduit à choisir la famille des perovskites, et, en conclusion de calculs de conductivité thermique par dynamique moléculaire, à sélectionner BaMg1/3Ta2/3O3 (BMT), un composé dont le point de fusion est supérieur à 2900°C. Un mode d'élaboration par voie solide a été développé pour obtenir cet oxyde sous forme dense. En guise de référence, des matériaux denses de zircones yttriées complètement stabilisées ont également été élaborés. Ces deux oxydes ont ensuite été caractérisées expérimentalement : structure par diffraction de rayons X, conductivité thermique jusqu'à 1200°C à partir de la mesure de la diffusivité thermiques par méthode flash laser, coefficient de dilatation entre 200 et 1200°C. Une étu de du gravage thermique de joints de grains, avec suivi par microscopie à force atomique du profil de joints après traitements entre 1100°C et 1400°C, a permis dans certains cas de déterminer le coefficient de diffusion en surface. Il ressort de cette étude que, si la perovskite BMT possède un ensemble de propriétés intéressantes pour constituer une barrière thermique : stabilité structurale, conductivité thermique à 1200°C du même ordre que celle de la zircone yttriée (autour de 2 W.m-1.K-1), coefficient de dilatation élevé (11.10-5 /K entre 200 et 1200°C), des phénomènes de sublima tion sont susceptibles de perturber la stabilité de couches à très hautes températures.

Ce travail concerne l'analyse structurale des liquides associés comme l'eau et les alcools et leur mélanges. Nous sondons par la Dynamique Moléculaire la micro-structure de ces liquides. A partir du calcul des fonctions de corrélations et des facteurs de structures associés, ainsi que d'un parametre d'ordre effectifs, nous proposons une vision consistente de la microhétérogénéité au sein des liquides macroscopiquement homogénes. Cette analyse nous permet de distinguer entre la micro-structure dans les liquides purs associés, de celle de micro-ségrégation dans leurs mélanges binaires, alors que le mécanisme commun est bien la liaison hydrogéne. Celle-ci structure différamment les sites partiels concernés (hydrogéne et oxygéne), tandis que les sites inertes méthyls sont purement désordonnés. Ainsi, la micro-hétérogénéité apparait comme une propriéte universelle des mélanges de liquides associés. Ce type d'ordre local n'appartient pas tout-é-fait la classe du désordre, pas plus qu'é celle de l'ordre global. Il apparait donc comme une nouvelle forme d'ordre et défie nos méthodes pour le mettre en évidence, tant du point de vue expérimental que théorique.

L'hydratation des trications lanthanide (Ln3+) est simulée par dynamique moléculaire classique traitant explicitement de la polarisation suivant une méthode qui diminue de manière considérable le temps de calculs par rapport à la résolution auto-cohérente habituelle. Différents potentiels d'interaction La3+/OH2 sont testés, conduisant au choix d'un potentiel de type Buckingham paramétré à partir de calculs ab initio (MP2). Ce potentiel est, ensuite, extrapolé aux autres lanthanides en se basant sur la variation des rayons ioniques au sein de la série. Les résultats de simulations permettent de reproduire les résultats expérimentaux fiables (distances EXAFS) et la variation, de type sigmoïde (en S), du nombre de coordination, passant de 9 pour La3+ à 8 pour Lu3+. Cette variation s'explique par la variation linéaire du DrG0 (9,298) en fonction du numéro atomique . Quelques résultats sont abordés sur Co2+, des simulations de dynamique moléculaire Car-Parrinello, la reconstruction de spectres EXAFS à partir de résultats de simulations de dynamique<br />moléculaire, et la complexation de La3+ par OH− en solution aqueuse.

Les préoccupations énergétiques et environnementales actuelles ont fait du retraitement des déchets nucléaires un enjeu scientifique et économique majeur dans de nombreux pays. Une des voies de retraitement envisagée concerne l'extraction sélective des actinides mineurs trivalents An (Am3+, Cm3+) du reste des lanthanides Ln présents dans le combustible nucléaire usé. Pour cela, des ligands azotés sont actuellement testés: l'origine de leur sélectivité pour les actinides mineurs est encore mal identifiée mais pourrait venir de phénomènes de covalence accrus avec les actinides mineurs (III) par rapport aux lanthanides(III). Dans cette thèse, nous étudions la covalence dans la liaison actinide-ligand par des calculs de DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité), et ce en trois temps: étude avancée de la nature de la liaison métal-ligand, caractérisation spectroscopique de la covalence et premiers tests de dynamique moléculaire ab initio pour de futures études en solvant. Pour cela, nous appliquons des méthodes jusque là assez peu utilisées sur les complexes trivalents d'actinides (méthodes topologiques, TDDFT, LDDFT, dynamique moléculaire ab initio). Nous avons pu établir que la sélectivité de l'extractant BTP, le plus efficace pour la séparation An/Ln, provenait notamment d'un renforcement de la covalence dans la liaison An-BTP par rapport à la liaison Ln-BTP. Ceci n'avait jamais pu être montré auparavant, tant au niveau expérimental que théorique.

Dans cette thèse, l'étude des liquides est envisagée d'un point de vue théorique et expérimental. La diffusion de neutrons permet l'investigation des propriétés structurales et dynamiques des liquides. Sur le plan théorique, les simulations par dynamique moléculaire sont d'un grand attrait car elles donnent accès aux positions et vitesses des atomes ainsi qu'aux forces qu'ils exercent entre eux. Elles permettent aussi de calculer les corrélations spatiales et temporelles, aussi mesurées par diffusion de neutrons. Par conséquent, les résultats de simulations par dynamique moléculaire et d'expériences de diffusion de neutrons peuvent être comparés afin d'améliorer notre compréhension de la structure et de la dynamique des liquides. <br /><br />Toutefois, l'extraction de données fiables à partir des expériences de diffusion de neutrons étant délicate, nous proposons de simuler l'expérience dans son ensemble, c'est-à-dire l'instrument et l'échantillon, afin de mieux comprendre et évaluer l'impact des différentes contributions parasites (absorption, diffusion multiple associée à la diffusion élastique et inélastique, résolution instrumentale). Cette approche, dans laquelle l'échantillon est décrit par ses caractéristiques structurales et dynamiques calculées par dynamique moléculaire, est présentée et testée dans un premier temps sur des systèmes modèles isotropes.<br /><br />Par la suite, le germanium liquide est étudié par diffusion inélastique des neutrons ainsi que par dynamique moléculaire classique et ab initio. Ceci permet ensuite de simuler l'expérience réalisée et d'évaluer l'influence sur le signal détecté des contributions de l'instrument et de l'échantillon.

Ce document traite des aspects différents de la modélisation moléculaire d'une protéine de la matrice extracellulaire. Le domaine de signature des thrombospondines est étudié en détail dans ce document en faisant appel aux champs variés de la science. La complexité de ce domaine nécessite l'utilisation des approches de la mécanique quantique moléculaire en plus de la dynamique moléculaire classique. En reliant les deux approches un nouveau algorithme a été développé afin d'attribuer des charges partielles à partir des résultats obtenus par des méthodes ab-initio. Pour implémenter cet algorithme d'une façon efficace, les nouvelles méthodes de la programmation massivement parallèle ont été utilisées qui nous permettent entre autres de faire tourner cet algorithme sur les procsesseurs graphiques. Nous avons également utilisé et développé des nouvelles méthodes de la visualisation moléculaire rapprochant l'art à la science. En plus, de ces développements nous avons obtenus des résultats intéressants sur la dynamique du domaine de signature. Nous avons pu identifier les ions échangeables de ce domaine. Nous avons vérifié et élargie les modèles existants de la thrombospondine dans des concentrations faibles de calcium. En utilisant la dynamique moléculaire nous avons également évalué des sites importants de fixations pour le développement de nouveaux médicaments contre le cancer.

Ce travail concerne l'étude de monocouches auto-assemblées (SAMs) sur l'or par simulation moléculaire. Des SAMs électroactives formées de chaines ferrocenylalcanethiols et alcanethiols et des SAMs constituées de β-cyclodextrines immobilisées sur des surfaces pouvant donner lieu à la formation de complexes d'inclusion à l'interface ont été étudiées. L'objectif était d'obtenir des grandeurs macroscopiques qui soient directement comparables aux grandeurs expérimentales. Pour cela, des simulations de dynamique moléculaire ont été couplées à des calculs de perturbation thermodynamique afin d'obtenir des grandeurs rédox et des propriétés thermodynamiques d'association. La reproduction de grandeurs expérimentales a dans un premier temps permis de valider les méthodologies de simulation et les champs de forces utilisés. Ceci a ensuite conduit à envisager la simulation moléculaire comme une technique prédictive pour l'étude de nouveaux systèmes. Les grandeurs macroscopiques obtenues ont pu être interprétées grâce à une caractérisation structurale et énergétique des processus mis en jeu.

Le Nafion dans la couche catalytique des PEMFCs peut former un revêtement de film ultra-mince enrobant la surface du catalyseur et ses supports. La morphologie du Nafion se révèle être très sensibles à la nature du matériau sur lequel le film est déposé, et en particulier le caractère hydrophobe/phile de ces matériaux. Notre travail consiste à effectuer une enquête complète sur les effets hydrophiles du substrat sur les propriétés physiques du film ultra-mince de Nafion à des niveaux différents d'hydratation. Par conséquent, nous étudions selon un cadre unique une variété d'environnements spécifiques de la couche du catalyseur de la PEMFC, pouvant aller d'un substrat hydrophobe (carbone) à hydrophile (platine). La méthode numérique choisie pour ce travail est une simulation par Dynamique Moléculaire classique. Les configurations de films ultra-minces correctement thermalisés ont été décrites en détail en fonction de leurs propriétés structurales et dynamiques.

Cette thèse porte sur la problématique de réduction des émissions de gaz à effet de serre par captage et stockage du dioxyde de carbone (CO2) contenu dans les effluents industriels. Les procédés de captage concernés reposent sur l'absorption sélective du CO2 par des solutions aqueuses d'alcanolamines. Les mécanismes physico-chimiques d'absorption mis en jeu sont étudiés à l'aide de modèles thermodynamiques. Leur développement est complexe et la prédiction précise des données physico-chimiques, nécessaires à l'optimisation des procédés industriels de captage, reste difficile. Le développement d'outils permettant une représentation détaillée des structures microscopiques permettrait l'optimisation de ces modèles. Ces outils fourniraient également des informations pour l'établissement de relations structure-propriété nécessaires au design d'absorbants adaptés au captage en post-combustion. Les travaux de recherche ont porté sur l'évaluation du pouvoir prédictif des outils de simulation moléculaire et leur capacité à établir des relations entre la structure des absorbants, les interactions moléculaires et les propriétés physicochimiques macroscopiques. Les outils développés ont été construits afin de permettre leur transférabilité entre alcanolamines. L'étude repose sur des mesures calorimétriques et des travaux de simulation par dynamique moléculaire menés en parallèle. Elle porte sur des alcanolamines primaires, pures ou en solutions aqueuses, basées sur le squelette N-C-C-O, incluant la monoéthanolamine (MEA). La mise en évidence d'un effet d'ouverture des liaisons hydrogène intramoléculaires des alcanolamines en fonction de leur composition semble être à la base de la différenciation du comportement énergétique des systèmes binaires {alcanolamine + eau}. L'identification des différents types d'interactions engagés a permis de mettre en lumière un effet hydrophobe. L'ensemble des analyses explique certaines limites des modèles thermodynamiques classiques et constitue un guide pour leur amélioration, notamment par la prise en compte de l'effet de composition.