L'utilisation de différents niveaux de complexité dans les méthodes de la chimie théorique permet de discuter de la validité des modèles de reconstruction de la surface Si(100) et de créer des modèles de sous-oxydes. Notre étude ab-initio Hartree-Fock périodique est en faveur d'une reconstruction symétrique combinée à un arrangement anti-ferromagnétique 2x2 des spins des électrons des liaisons pendantes. Néanmoins la reconstruction asymétrique est quasi isoénergétique. Le traitement d'un large modèle moléculaire de sous-oxydes pseudo-périodique, permet de rendre compte des contraintes de la surface. L'importante relaxation trouvée dans cette étude est la combinaison d'une translation verticale et d'une rotation. Le réseau, la valence des espèces présentes peut influencer la cinétique de la relaxation. Le premier site d'oxydation est la liaison du dimère. Les atomes de silicium sont ensuite oxydés un par un.

Cette thèse est consacrée à l'étude de deux systèmes, à la fois proches et différents par leur comportement : Co-Pt, système emblématique de l'ordre chimique, et Pt-Ag, système hybride présentant à la fois un ordre chimique et une tendance à la démixtion, ainsi qu'une forte tendance à la ségrégation. Afin de répondre à ces diverses questions, nous adoptons une approche semi-empirique à travers un potentiel à $N$-corps, permettant les relaxations atomiques, dans l'approximation du second moment de la densité d'états (SMA), couplé à des simulations Monte Carlo dans différents ensembles. Des agrégats de différentes tailles (allant de 1000 à 10000 atomes) et de différentes morphologies (octaèdre tronqué, décaèdre, ou icosaèdre) sont analysés en terme de composition chimique sur les différents sites inéquivalents (sommet, arête, facettes (100) et (111) et coeur) puis comparés aux systèmes de référence (surfaces, volume) sur toute la gamme de concentration. Pour le système Co-Pt, nous observons des structures ordonnées similaires à celles du volume pour le coeur et similaires à celles des surfaces pour les facettes. L'impact de la phase bidimensionnelle (√3×√3)R30◦ propre à la surface, est d'autant plus important sur l'ordre chimique au coeur que la nanoparticule est de petite taille. Pour le système Pt-Ag, nous observons une importante ségrégation de l'Ag en surface, ainsi qu'un enrichissement de Pt en sous-surface, et la stabilisation de la phase ordonnée L1$_{1}$ au coeur. Cette structure peut apparaître en un seul variant ou bien en adoptant tous les variants possibles, conduisant ainsi à une structure en pelures d'oignon. / Due to the correlation between atomic arrangement and physical properties, ordered nanoalloys are particularly interesting in the field of catalysis, magnetism, or optics. By reducing the system size, from alloy to nanoalloy, a lot of questions arise: Is chemical ordering conserved? What is the morphology of nanoalloys? What is the properties evolution as a size function? Is there a coupling between segregation and core ordering? This thesis is dedicated to two systems: Co-Pt, a typical example of ordering and Pt-Ag, hybrid system between ordering and demixion. To answer these questions, we performed Monte Carlo simulations in different ensembles with semi-empirical many-body potential within the Second Moment Approximation (SMA) of the density of states which allows atomic relaxations. Nanoparticles of different sizes (from 1000 to 10000 atoms) and shapes (truncated octahedra, decahedra, or icosahedra) are analyzed considering chemical composition on each site (vertex, edge, (111) and (100) facets and core) and compared to reference systems (surfaces and bulk) on the whole range of composition. For Co-Pt, we get ordered structures similar to the bulk ones and similar to surfaces for facets. The bidimensional phase (√3×√3)R30◦, purely due to surface effect, impacts core ordering, even more for small clusters. For Pt-Ag, we get a strong Ag segregation on surface coupled with a Pt sub-surface enrichment, and a stable L1$_{1}$ phase in the core. This ordered structure may appear with a single variant or with multiple variants, leading to an onion-like structure.

Le boulonnage et le câblage à ancrage réparti sont deux techniques de renforcement du terrain couramment utilisées dans l'industrie minière et dans le génie civil. Au fil de cette recherche, on s'intéresse à la réponse de ces éléments sous des sollicitations axiales de traction, en régime statique. Dans ces conditions, l'expérience montre que la rupture se produit le plus fréquemment à l'interface barre-scellement via un processus de décohésion qui commence dès que la force sur la barre atteint une valeur limite. L'objectif est de mieux comprendre le comportement de cette interface, avant et après rupture. Premièrement, on revoit l'état de l'art afin de comprendre le travail effectué et les aspects non maîtrisés à ce jour. Deuxièmement, on décrit des outils analytiques qui permettent de comprendre la réponse d'un boulon ou d'un câble à ancrage réparti soumis à une force de traction. Ensuite, on présente les études expérimentales menées en laboratoire et in situ. Des essais d'arrachement ont été effectués pour déterminer les principaux facteurs qui régissent la réponse de l'interface. Finalement, on analyse les résultats des essais effectués en laboratoire sur les boulons. Après l'obtention des variables nécessaires, on propose un modèle semi-empirique d'interface, qui devra être validé par des essais complémentaires. Cette perspective et d'autres améliorations sont également présentées.

La compréhension des enzymes et de leurs mécanismes catalytiques est d'une grande importance dans le développement de médicaments plus efficaces Pour mieux appréhender ces phénomènes, différentes approches théoriques comme les méthodes QM, MM-MD et QM/MM, peuvent être utilisées. L'objectif principal de cette thèse est d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de réactivité et de la dynamique de l'enzyme GABA-AT (y-aminobutyric acid aminotransferase), un modèle d'enzyme dépendante au phosphate pyridoxal (PLP). Notre travail a consisté en 5 étapes vers une plus grande compréhension de GABA-AT. 1) la réaction et le mode d'attachement du substrat naturel GABA ont été étudié pour différents isomères à l'aide de systèmes modèles et de la DFT. 2) l'enzyme a été simulée par dynamique moléculaire classique dans les cas de l'apoenzyme, l'holoenzyme et l'holoenzyme inactivée. Nos résultats montrent que plusieurs résidus du site actif jouent un rôle important et que leur état de protonation ainsi que celui du PLP sont cruciaux dans l'activité de GABA-AT. 3) l'influence des résidus du site actif sur la réactivité a été étudiée par la modélisation quantique de clusters moléculaires. Le plus gros cluster comprenait 165 atomes entouré d'un solvant implicite. 4) de nouvelles routines de diagonalisation pour SEBOMD ont été incorporées dans la suite AMBER à travers l'utilisation des bibliothèques LAPACK et SCALAPACK. Ces nouvelles routines ont été testées et leur efficacité a été évaluée. 5) des énergies libres de réaction ont été évaluées par dynamiques SEBOMD sur des intermédiaires réactionnels GABA-PLP / Understanding enzymes and their catalytic mechanisms is very important in order to develop more effective drugs having little to no side effects. In order to decipher the catalytic behavior of enzymes, different approaches such as QM, MM-MD, and QM/MM can be used and their results can be correlated. The main aim of this thesis is to get a deeper understanding of the mechanistic insights of the reactivity and of the dynamics of the pyridoxal-5-phosphate (PLP) dependent enzyme y-aminobutyric acid aminotransferase (GABA-AT). Because GABA-AT resembles many other PLP-dependent enzymes, understanding it could be of importance for the broad community of biochemists and computational chemists who study such class of proteins. Our work has consisted of five stages to pursuit the comprehension of GABA-AT. First, the reaction and the preferred binding mode of the natural substrate GABA has been elucidated with different isomers by means of model systems with DFT. Second, the dynamics and the behavior of the enzyme has been studied with MM-MD through the use of apoenzyme, holoenzyme and holoenzyme with an inactivator. Third, the effect of the active site residues in the inactivation mechanism has been investigated with the modelling of clusters at the QM level involving key residues. Fourth, new diagonalization routines for the SEBOMD (SemiEmpirical Born-Oppenheimer Molecular Dynamics) approach implemented in the Amber suite of programs, have been incorporated using LAPACK and SCALAPACK libraries, tested and evaluated to optimize the diagonalization procedure of the Fock matrix. Fifth, reaction free energies of PLP containing systems have been investigated with SEBOMD simulations

Le boulonnage et le câblage à ancrage réparti sont deux techniques de renforcement du terrain couramment utilisées dans l'industrie minière et dans le génie civil. Au fil de cette recherche, on s'intéresse à la réponse de ces éléments sous des sollicitations axiales de traction, en régime statique. Dans ces conditions, l'expérience montre que la rupture se produit le plus fréquemment à l'interface barre-scellement via un processus de décohésion qui commence dès que la force sur la barre atteint une valeur limite. L'objectif est de mieux comprendre le comportement de cette interface, avant et après rupture. Premièrement, on revoit l'état de l'art afin de comprendre le travail effectué et les aspects non maîtrisés à ce jour. Deuxièmement, on décrit des outils analytiques qui permettent de comprendre la réponse d'un boulon ou d'un câble à ancrage réparti soumis à une force de traction. Ensuite, on présente les études expérimentales menées en laboratoire et in situ. Des essais d'arrachement ont été effectués pour déterminer les principaux facteurs qui régissent la réponse de l'interface. Finalement, on analyse les résultats des essais effectués en laboratoire sur les boulons. Après l'obtention des variables nécessaires, on propose un modèle semi-empirique d'interface, qui devra être validé par des essais complémentaires. Cette perspective et d'autres améliorations sont également présentées. / Rockbolting and cablebolting are two ground reinforcement techniques broadly used in civil and mining engineering. This research focuses on the behaviour of fully grouted bolts subjected to tensile axial loads, in static conditions. Under these circumstances, experience throughout the world proves that failure usually takes place at the bolt-grout interface via a decoupling process that starts if the load on the bolt exceeds a critical value. The objective is to gain more insight into the behaviour of this interface, before and after failure. First, the state-of-the-art is presented to understand the existing advances and to identify the lacking aspects. Secondly, analytical tools that help understand the response of a fully grouted bolt subjected to a tensile load are described. Then, the field and laboratory experimental campaigns are exposed. Pull-out tests have been conducted to determine the most influencing parameters on the interface behaviour. Finally, the laboratory results on rockbolts are analyzed. Once the necessary variables are obtained, a semi-empirical interface behaviour model is proposed. The further evaluation of this model and other improvements are suggested as perspectives of evolution.

Le dioxyde d’uranium UO2 est le combustible standard dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP). Durant le fonctionnement du réacteur les pastilles combustibles subissent des contraintes thermiques et mécaniques. Pour cette raison il est très important de bien connaître les propriétés de ce système à la fois dans les conditions de fonctionnement normales et accidentelles (300 à 2000K). Lors des réactions de fission de l’uranium, des gaz rares comme le xénon sont produits à l’intérieur du combustible. En raison de leur faible solubilité, ces gaz vont former des bulles intra- et inter- granulaires dans l’UO2. La présence de ces bulles dans le combustible a un impact sur les propriétés macroscopiques de ce dernier. A l'échelle nanométrique, les bulles intragranulaires prennent la forme d’un octaèdre facetté, essentiellement suivant les directions (111) et (100). Devant la complexité de l’étude de la stabilité de cet octaèdre, nous avons décomposé le problème afin de pouvoir l’étudier de façon plus systématique et de découpler les différents effets. Dans un premier temps, nous avons déterminé la stabilité des surfaces planes (111) et (100) de l’UO2 et les modifications de microstructure engendrées par leur relaxation. Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé les isothermes d’adsorption du xénon sur ces surfaces relaxées, en les comparant à ceux de l’incorporation dans une boîte vide pour identifier les effets de surface. Une attention particulière a été portée sur la microstructure du xénon dans ces systèmes. Finalement, nous avons effectué une analyse des propriétés mécaniques (profils de pression et de contrainte au voisinage des surfaces). / Uranium dioxide UO2 is the standard fuel in nuclear pressurized water reactors (PWR). During the operation of the reactor the fuel pellets undergo thermal and mechanical stresses. For this reason it is very important to understand these thermomechanical properties of this system both in normal operation conditions and accidental situations (300 to 2000K). During fission reactions of uranium, rare gases such as xenon are produced within the fuel. Due to their low solubility, these gases will either be released or form intra- and inter-granular bubbles inside the UO2. The presence of these bubbles in the fuel has an impact on the thermomechanical properties of the latter. We focus in this thesis on the study of intragranularbubbles and their impact on the thermomechanical properties of UO2 , through modeling at the atomic scale. At this scale, intragranular bubbles take the shape of an octahedron, presenting mainly (111) and (100) facets. Given the complexity of the study of the stability of this octahedron, we have simplified the problem in order to study it in a more systematic way and to decouple the various effects. First, the stability of (100) and (111) extended surfaces of UO2 and microscructural modifications generated by their relaxation were studied. In a second step, we dermined adsorption isotherms of xenon on these relaxed surfaces, and compared them to the incorporation ones inside an empty box in order to isolate surface effects. A specific attention has been given to the microstructure of xenon in these systems. Finally, an analysis of the mechanical properties (pressure and stress profiles near by the surface).

La combinaison des effets de taille et d'alliage dans les particules bi-métalliques permet d'exalter leurs propriétés ou d'en susciter de nouvelles. La mise en évidence de tels effets dans des particules nanométriques d'alliage cobalt-rhodium a motivé cette étude. Ce travail est ainsi consacré à l'analyse de leur structure fine et de son évolution avec la composition et les conditions de la synthèse, susceptibles d'expliquer leur comportement magnétique. L'étude expérimentale s'appuie sur une large combinaison de techniques, principalement la microscopie électronique à haute résolution et la diffusion des rayons X aux grands angles. Nous avons notamment montré la brusque augmentation de la distance interatomique avec l'introduction d'une faible quantité de rhodium. Ce résultat, ainsi que ceux obtenus par des techniques sélectives en éléments comme l'EXAFS, sont en accord avec une ségrégation du cobalt en surface. L'étude théorique est basée sur un modèle de potentiel semi-empirique à N-corps. Les calculs en Monte-Carlo Metropolis confirment la ségrégation du cobalt en surface ainsi que les principaux résultats structuraux. Enfin la dernière partie de ce travail est consacrée à l'étude structurale de particules d'alliages de cobalt, de morphologies et assemblages contrôlés, destinées à des applications en microélectronique.

Dans cette thèse, nous avons étudié au moyen de simulations atomistiques, la nucléation des dislocations à partir de marche de surface dans un cristal de silicium soumis à des contraintes. Afin de déterminer le potentiel interatomique le mieux approprié à cette étude, nous avons comparé les potentiels semi-empiriques de Stillinger-Weber (SW), Tersoff et EDIP avec des méthodes ab initio sur des calculs de cisaillement homogène {111} <110> du silicium massif, et d'énergies de défauts d'empilement généralisés sur les plans {111}. Les calculs ab initio montrent que la déformation se localise dans les plans du shuffle set, et pour de fortes déformations, les liaisons covalentes de ces plans deviennent métalliques. Pour notre étude, nous avons choisi le potentiel SW qui représente le mieux ces propriétés de cisaillement. A l'aide des potentiels interatomiques, principalement le potentiel SW, nous avons modélisé un cristal de silicium comportant des marches de surface que nous avons soumis à diverses orientations de contraintes. Nous avons montré que<br />les marches sont des sites privilégiés pour l'initiation de la plasticité.<br />L'analyse des déformations montre la nucléation de dislocations, en<br />particulier de type 60°, qui ont glissé systématiquement dans des plans du shuffle set. De plus, le type de dislocation nucléée dépend de la contrainte de scission résolue le long des plans de glissement et de la contrainte de Peierls. L'absence de cisaillement précurseur de la nucléation indique un couplage relativement faible entre tension et cisaillement des plans de glissement, contrairement aux métaux. Ce mécanisme de nucléation a été validé par un calcul ab initio, où une dislocation 60° a été nucléée dans un plan du shuffle set. Cependant, l'activation de ces sources est difficile pour les marches de faible hauteur. Finalement, nous avons montré que les liaisons pendantes de surface facilitent la rupture/recombinaison des liaisons atomiques<br />nécessaires à la nucléation.