Comprendre la dynamique locale des protéines dans leur état natif (structure repliée etfonctionnelle) est essentiel pour comprendre leur dynamique globale et leur fonction biologique. Aucours de cette thèse, nous avons étudié la dynamique locale de plusieurs petites protéines enmesurant les fluctuations de sondes locales le long de la séquence d’acide aminé de ces protéines.Nous avons essayé de comprendre la dynamique de ces sondes locales, comment celles-ci serelaxaient entre leurs différentes conformations, comment leurs fluctuations étaient corrélées lesunes aux autres et comment peuvent-elles être reliées à la fonction biologique des protéines.Dans les trois premiers chapitres, nous introduisons les concepts du mouvement Browniende rotation libre, de la spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) et de ladynamique moléculaire (DM). Dans les chapitres 4 et 5, nous avons étudié la dynamique desliaisons amides de la chaine principale (backbone) des protéines sur leurs paysages d’énergie libre.Dans le chapitre 4, nous avons démontré que les fluctuations des liaisons amide dubackbone de la protéine VA3 sont décrites par une diffusion rotationnelle anormale plutôt que parune diffusion rotationnelle libre généralement utilisée pour interpréter les données RMN enrelaxation de spins et en couplage résiduel dipolaire. [...] Dans le chapitre 5, nous avons démontré la diffusion rotationnelle anormale de ces liaisons jusqu’à une échelle de temps de 100 ns en utilisant dix simulations de DM de 1 μs de la protéineUbiquitine. Nous avons aussi étudié la convergence des paramètres RMN extraits des trajectoiresde DM en fonction de leur durée. [...] Dans le chapitre 6, nous avons réalisé une l’étude de la corrélation entre les mouvements du backbone et des chaines latérales des protéines. [...] Dans la première partie du dernier chapitre de cette thèse, nous avons étudié l’évolution de la corrélation dynamique entre les chaines latérales et la chaine principale d’une protéine durant des évènements de dépliement/repliement. Pour cette étude préliminaire, nous avons utilisé unesimulation de DM d’un « ultra-fast folder » nommé Trp-cage réalisée à 380K. Nous avons confirméles résultats précédemment trouvés pour les protéines dans leur état natif. Nous avons observél’augmentation de la corrélation entre les séries temporelles yn(t) and δn(t) pendant un évènementde dépliement caractérisé par la sortie du tryptophane de sa cage. Un paramètre stérique s aégalement été défini afin de quantifier les intéractions des chaines latérales avec leurenvironnement. Dans une seconde partie de ce dernier chapitre, nous présentons une étudepréliminaire du dépliement d’un « downhill folder » nommé gpW sous contrainte d’une force. Pourcaractériser le dépliement de la protéine gpW, nous avons calculé les chemical shifts des atomes Cª et Hⁿ du backbone le long de sa séquence en fonction d’une coordonnée réactionnelle choisie comme étant la distance entre les Cª de résidus C- et N- terminaux. Nous avons démontré qu’il était difficile de discerner un comportement particulier à partir des tous les chemical shifts en fonction de la distance. Cependant, en moyennant la valeur des chemical shifts en sur tous lesrésidus de la protéine nous trouvons que l’évolution de cette valeur moyenne en fonction de ladistance permettait de décrire les évènements du dépliement de la protéine en fonction de lacoordonnée de réaction durant la simulation de DM / Understand the local dynamics of proteins in their native state, i.e. in their folded functionalstructure, is a prerequisite to understand their global dynamics and their biological function. In thepresent thesis, we investigated the local dynamics of several small proteins by recording thefluctuations of local probes along the amino-acid sequence of those proteins. We tried tounderstand the dynamics of the local probe, i.e. how they relax between their differentconformations, how their fluctuations are correlated to each other, how their fluctuations arerelated to the function of the proteins. In the first three chapters, we introduced the concepts of the free rotational Brownian motion, of the Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy and of the Molecular Dynamics (MD)simulations. In chapters 4 and 5, we studied the dynamics of the backbone amide bonds of theproteins on their free-energy landscape. In chapter 4, we demonstrated that the fluctuations of the backbone amide bonds of the protein VA3 are described by a rotational anomalous diffusion rather than by a free rotationaldiffusion, as often assumed in the interpretation of the raw NMR-measured data (Spin relaxation(SR) data and Residual Dipolar Coupling (RDC) data. [...] In chapter 5, we demonstrated the anomalous diffusion of backbone amide bonds up to 100 ns by using ten MD trajectories of 1 μs of duration for the protein ubiquitin. We also studied the convergence of the NMR-derived parameters extracted from the MD trajectories in function of their duration. [...] In chapter 6, we addressed the question of the correlation between the motions of the side chains and main chain of a protein. [...] In the first part of the final chapter of the present thesis, we investigated the evolution of the correlation between the side-chain and the main-chain motions of a protein during unfolding/folding events. In this preliminary work, we used a single MD simulation of the ultrafast folder Trp-cage performed at 380 K. We confirmed the results found for proteins in theirnative state. We observed an increase of the correlation between the two time series yn(t) and δn(t) during an unfolding event characterized, here, by the exit of the TRP residue of its “cage”.A steric parameter s was also defined in order to quantify interactions of the amino-acid side chainwith its environment. In a second part of the last chapter, we present a preliminary study of theunfolding of the downhill folder gpW under a mechanical force. To characterized the unfolding ofgpW, we computed the chemical shift of the Cª and of the Hⁿ atoms along the amino-acidsequence of the protein in function of a reaction coordinate: the distance, rCªCª , between the Cª atoms of the N and C terminal residues. We demonstrated that it is hard to distinguish a typical behavior of all the chemical shift of all the residues along the amino-acid sequence in function of the distance rCªCª . However, by averaging the chemical shift over all the residues of the protein we found that the evolution of the average value of the chemical shift described the unfolding eventsof the protein during the MD simulations

Applications of conjugated polymer (CPs) in optoelectronic devices are critically depend on nature of thin film morphology. In thin film of CPs, the distribution of conjugation length is highly heterogeneous because of conformational defects, distortions of polymer chain and aggregates. A greater understanding of the self-assembly properties of polymer in solution, in particular control over aggregation leads to richer description of electronic properties and hence reproducible fabrication of thin film devices. Recently, chiral CPs have attracted profound interest because of their promising chiroptical properties in thin films and easy control over the selective agglomeration process. In this thesis, we have investigated the role of chiral side-chains on a series of thiophene diketopyrrolopyrrole (TDPP)-benzodithiophene (BDT) based copolymers. Chiral 3,7-dimethyloctyl chain was introduced as an asymmetric chain to incorporate chirality on one of the repeating unit (TDPP) of copolymers. Two polymers with side-chains of identical chirality (S),(S)-PTDPP-BDT; (R),(R)-PTDPP-BDT and a third polymer with similar side-chains of opposite chirality (R),(S)-PTDPP-BDT were synthesized. The chiroptical properties were investigated by UV-visible and circular dichroism (CD) spectroscopy. Figure 1: The structure of the TDPP-BDT copolymers. The copolymers dissolved in a good solvent (e.g. chloroform, chlorobenzene) in which polymers adopts random coil conformation, no chiral response has been observed. However, a critical addition of non-solvent (methanol), the copolymers stack in a chiral fashion and leads to typical bisignate Cotton effects. It is noteworthy that the two polymers, (S),(S)-PTDPP-BDT and (R),(R)-PTDPP-BDT exhibiting a nearly ideal mirror-image relationship in CD spectra (Figure 2a) whereas the (R),(S)-PTDPP-BDT lacks chiropticity even with the addition of methanol. The aggregation induced CD phenomena are dependent on the temperature of solution and do not exhibit reversibility in a heating-cooling cycle. Figure 2: (a) The mirror image Cotton effects of (S),(S)-PTDPP-BDT and (R),(R)-PTDPP-BDT (b) No CD signal was observed for the (R),(S)-PTDPP-BDT polymer. Figure 3: The variation of (a) UV-vis and (b) CD spectra of (R),(R)-PTDPP-BDT polymer with thickness of the solid film. To investigate the role of thickness and annealing temperature on optical and chiroptical properties of polymer films, thin films were prepared using drop-casting method from a solution of chlorobenzene. Both the polymer showed gradual enhancement of CD signal with the increase of film thickness but we did not see any such order with temperature (Figure 3). Figure 4: The morphology observed for the film by (a) AFM; (b); (c) FESEM. The thin film morphology of polymers is characterized by atomic force microscopy (AFM) and field emission scanning electron microscopy (FESEM) (Figure 4). AFM studies show the polymer molecules self-assembled and formed interconnected nanofibers. Whereas FESEM images clearly revealed that, the nanofibers of polymers are predominantly stack in a chiral fashion and mimic a one-handed helix which leads to bisignate Cotton effects. The (S),(S)-PTDPP-BDT and (R),(R)-PTDPP-BDT form fibers with opposite handedness whereas (R),(S)-PTDPP-BDT do not have such preferred handedness. The research described in this thesis aims to explore the role of chiral side-chains to impose chiral stacking and hence resulting chiral expression. Chirality in this class of polymers may endows them promising optoelectronic properties. (For figures pl see the abstract pdf file)

La présente thèse porte sur les calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour simuler des systèmes dans lesquels les effets à longue portée sont importants. Une emphase particulière est mise sur les calculs des énergies d’excitations, tout particulièrement dans le cadre des applications photovoltaïques. Cette thèse aborde ces calculs sous deux angles. Tout d’abord, des outils DFT déjà bien établis seront utilisés pour simuler des systèmes d’intérêt expérimental. Par la suite, la théorie sous-jacente à la DFT sera explorée, ses limites seront identifiées et de nouveaux développements théoriques remédiant à ceux-ci seront proposés. Ainsi, dans la première partie de cette thèse, des calculs numériques utilisant la DFT et la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) telles qu’implémentées dans le logiciel Gaussian [1] sont faits avec des fonctionnelles courantes sur des molécules et des polymères d’intérêt expérimental. En particulier, le projet présenté dans le chapitre 2 explore l’utilisation de chaînes latérales pour optimiser les propriétés électroniques de polymères déjà couramment utilisés en photovoltaïque organique. Les résultats obtenus montrent qu’un choix judicieux de chaînes latérales permet de contrôler les propriétés électroniques de ces polymères et d’augmenter l’efficacité des cellules photovoltaïques les utilisant. Par la suite, le projet présenté dans le chapitre 3 utilise la TDDFT pour explorer les propriétés optiques de deux polymères, le poly-3-hexyl-thiophène (P3HT) et le poly-3-hexyl- sélénophène (P3HS), ainsi que leur mélange, dans le but d’appuyer les observations expérimentales indiquant la formation d’exciplexe dans ces derniers. Les calculs numériques effectués dans la première partie de cette thèse permettent de tirer plusieurs conclusions intéressantes, mais mettent également en évidence certaines limites de la DFT et de la TDDFT pour le traitement des états excités, dues au traitement approximatif de l’interaction coulombienne à longue portée. Ainsi, la deuxième partie de cette thèse revient aux fondements théoriques de la DFT. Plus précisément, dans le chapitre 4, une série de fonctionnelles modélisant plus précisément l’interaction coulombienne à longue portée grâce à une approche non-locale est élaborée. Ces fonctionnelles sont basées sur la WDA (weighted density approximation), qui est modifiée afin d’imposer plusieurs conditions exactes qui devraient être satisfaites par le trou d’échange. Ces fonctionnelles sont ensuite implémentées dans le logiciel Gaussian [1] et leurs performances sont évaluées grâce à des tests effectués sur une série de molécules et d’atomes. Les résultats obtenus indiquent que plusieurs de ces fonctionnelles donnent de meilleurs résultats que la WDA. De plus, ils permettrent de discuter de l’importance relative de satisfaire chacune des conditions exactes. / This thesis is about calculations using density functional theory (DFT) in order to simulate systems in which long range peoperties are important. Particular emphasis is put on excitation energies, especially in the context of applications in photovoltaics. These effects are adressed in two different ways. In the first place, well-established DFT tools are used to simulate systems of experimental interest. Secondly, DFT’s underlying theory will be explored, its limits will be identified and new theoretical developments will be suggested in reponse to them. For the first part of this thesis, numerical calculations using DFT and time- dependent density functional theory (TDDFT) as implemented in the Gaussian software system [1] are done with known functionals on molecules and polymers of experimental interest. In particular, the project presented in chapter 2 explores the use of lateral chains in order to optimize electronic properties of polymers which are already widely used in organic photovoltaics. The results obtained show that a judicious choice of lateral chains can allow good control of the electronic properties of these polymers and can make photovoltaic cells using these polymers more efficient. The project presented in chapter 3 uses TDDFT in order to explore the optical properties of two polymers, poly-3-hexyl-thiophene (P3HT) and poly- 3-hexyl-selenophene (P3HS) as well as a blend of these two polymers, in order to support experimental observations indicating an exciplex formation in the blend. The numerical calculations in the first part of this thesis allow us to make a few very interesting conclusions, however they also emphasize certain limitations of DFT and TDDFT when treating excited states, due to the approximate treatment of long-range Coulombic interactions. So, the second part of this thesis comes back to the theoretical foundations of DFT. To be more precise, in chapter 4, a series of functionals better modelizing long-range Coulombic interactions based on a non-local approach is elaborated. The functionals expand upon the weighted density approximation (WDA) and impose several exact conditions which should be satisfied by the exchange hole. These functionals are implemented in the Gaussian [1] software system and their performances are evaluated with tests on a series of atoms and molecules. The results obtained show that many of these functionals improve upon the WDA and they also provide some insight on the relative importance of satisfying each of the exact conditions.

This communication reports a unique ultra-large sheet formation through hierarchical self-assembly of a rod–coil graft copolymer containing a rigid polyphenylene backbone and flexible poly(ethylene oxide) (PEO) side chains. The hierarchical self-assembly process involved a distinctive morphological transition of 1D helical to 2D superstructures. The graft copolymer offers a new chance for the challenging bottom-up fabrication of ultra-large self-assembled nanosheets in solution, as well as a novel system for fundamental studies on 2D self-assembly of polymers.

This communication reports a unique ultra-large sheet formation through hierarchical self-assembly of a rod–coil graft copolymer containing a rigid polyphenylene backbone and flexible poly(ethylene oxide) (PEO) side chains. The hierarchical self-assembly process involved a distinctive morphological transition of 1D helical to 2D superstructures. The graft copolymer offers a new chance for the challenging bottom-up fabrication of ultra-large self-assembled nanosheets in solution, as well as a novel system for fundamental studies on 2D self-assembly of polymers.