Academic literature on the topic 'Molecular modelization'

In this paper, we model the electrical properties of germanium nanowires with a particular focus on physical mechanisms of electrical molecular sensing. We use the Tibercad software to solve the drift-diffusion equations in 3D and we validate the model against experimental data, considering a p-doped nanowire with surface traps. We simulate three different types of interactions: (1) Passivation of surface traps; (2) Additional surface charges; (3) Charge transfer from molecules to nanowires. By analyzing simulated I–V characteristics, we observe that: (i) the largest change in current occurs with negative charges on the surfaces; (ii) charge transfer provides relevant current changes only for very high values of additional doping; (iii) for certain values of additional n-doping ambipolar currents could be obtained. The results of these simulations highlight the complexity of the molecular sensing mechanism in nanowires, that depends not only on the NW parameters but also on the properties of the molecules. We expect that these findings will be valuable to extend the knowledge of molecular sensing by germanium nanowires, a fundamental step to develop novel sensors based on these nanostructures.

Hemoglobin and myoglobin have been considered for a long time the paradigmatic model systems for protein function, to the point of being defined the “hydrogen atom[s] of biology”. Given this privileged position and the huge amount of quantitative information available on these proteins, the red blood cell might appear as the model system and“hydrogen atom” of system biology. Indeed, since the red cell's main function is O2 transport by hemoglobin, the gap between the protein and the cell may appear quite small. Yet, a surprisingly large amount of detailed biochemical information is required for the modelization of the respiratory properties of the erythrocyte. This problem is compounded if modelization aims at uncovering or explaining evolutionarily selected functional properties of hemoglobin. The foremost difficulty lies in the fact that hemoglobins having different intrinsic properties and relatively ancient evolutionary divergence may behave similarly in the complex milieu of blood, whereas very similar hemoglobins sharing a substantial sequence similarity may present important functional differences because of the mutation of a few key residues. Thus, the functional properties of hemoglobin and blood may reflect more closely the recent environmental challenges than the remote evolutionary history of the animal. We summarize in this review the case of hemoglobins from mammals, in an attempt to provide a reasoned summary of their complexity that, we hope, may be of help to scientists interested in the quantitative exploration of the evolutionary physiology of respiration. Indeed the basis of a meaningful modelization of the red cell requires a large amount of information collected in painstaking and often forgotten studies of the biochemical properties of hemoglobin carried out over more than a century.

Le but de cette thèse est d'étudier des moodèles simples d'agents "auto-propulsés": capables de générer du mouvement en consommant de l'énergie provenant de leur environnement, sans forçage externe. Deux modèles de ce type ont été étudiés lors de cette thèse:-Dans un premier temps un modèle de type "Vicsek" a été étudié, c'est à dire que les particules représentées par un couple (position,vitesse) ont une évolution régie par des règles simples d'alignement et d'auto-propulsion à vitesse constante. Ici, l'alignement est nématique: les particlules s'alignent selon leur grand axe, au contraire d'un alignement polaire il se fait indiféremment tête à queue ou tête à tête. Par rapport aux précédents modèles de ce type la première nouveauté est l'introduction d'une pseudo répulsion (dans l'esprit Vicsek, modélisée par un terme de type couple) donnant une extension spatiale à ces particules. La seconde nouveauté est la présence d'un "taux de retournement" qui rend compte du temps de persistence de la direction de l'auto-propulsion. Dans cette partie nous décrivons divers diagrammes de phases de ce nouveau modèle qui montrent de nouvelles phases non répertoriées précédemment: les arches mais aussi des bandes "smectiques", quelques propriétés de ces structures ont été mesurées. Des équations hydrodynamiques obtenues via la méthode "Boltzmann-Ginzburg-Landau" ayant par ailleurs été dérivées nous effectuons une comparaison: la plupart des phases ainsi que certaines de leurs propriétés sont retrouvés dans le modèle hydrodynamique.-Dans un second temps, nous étudions la bactérie Neisseria Meningitidis qui présente la particularité de générer des "pili", filaments de plusieurs micromètres de long. En dépolymérisant ces structures, à vitesse constantes (~1 µm/s), elle est capable de en générer des forces gigantesques pour le vivant (~100 pN). Cette bactérie a tendance à former des aggrégats sphériques, présentant toutes les propriétés d'un liquide, pour coloniser l'organisme de l'hôte.Des mesures de viscosité et de tension de surface de ces aggrégats ont montré le rôle crucial du nombre de pili. Fort de ces constats nous avons bati un modèle microscopique dont la particularité est l'introduction de potentiels stochastiquement attractifs, c'est à dire que les particles transitent entre un état attractif et un état diffusif. Cette partie retranscrit l'évolution du modèle au cours du temps. Nous avons pu reproduire certaines propriétés des aggrégats, nous avons notamment mis en évidence une variation de la diffusion entre le centre et le bord des aggrégats qui recoupe les données expérimentales
This thesis purpose is to study simple "self-propelled" agents models: they are able to generate motion by consumming energy comming from their environment, without external forcing. Two models of that kind have been studied:-In the first part a Vicsek-style model has been studied, that is we particles are modeled by a couple (position,velocity) which evolution is dictated by simple rules of alignment and self-propulsion at constant speed. Here the alignment is nematic particles align along their long axis and alignment is not polar, contrarily to a polar alignment particles don't discriminate between head and tail . Compared to previous models of this type, the first novelty is the introduction of a pseudo-repulsion (in the Vicsek-spirit, modelized by a torque-like term) providing spatial extension to these particles. The second addition is a flipping rate which renders the persistence time of the direction of self-propulsion. In this part we describe several phase diagrams of this new model which show new phases not previously classified: arches but also "smectic" bands, some propreties of these structures have been measured. Hydrodynamic equations from the "Boltzmann-Ginzburg-Landau" method have been also developped, comparisons are performed: the hydrodynamic model recovers most phases and some of their propreties.-In the second part we study Neisseria Meningitidis, a bacteria which particularity is to generate pili: filamentous structures several micrometers long. By depolymerizing these structures at constant speed (~1µm/s), it is able to generate gigantic forces for the living word (~ 100pN). This bacteria has a tendancy to form spherical aggregates, showing all propreties of a liquid, in order to colonize the host organism. Viscosity and surface tension measure of these aggregates have shown the crucial role of the pili number. Using these data we've built a microscopic model which particularity is the presence of a stochastically attractive potential, that is to say that particles are transiting between an attractive state and a diffusive one. This part relates the model evolution in time. We've ben able to reproduce some aggregate propreties, in particular we've highlighted a variation of the diffusion between aggregate center and edges which fits experimental data

Les aciers inoxydables austénitiques sont très utilisés dans l’industrie nucléaire comme structure interne. Ces structures se retrouvent en grande majorité dans la cuve du réacteur et, du fait de leur proximité avec les assemblages combustibles, sont soumis à de rudes conditions d’utilisation. Ces éléments sont donc exposés à des doses d’irradiation élevées et peuvent atteindre 100 dpa après 40 ans d’utilisation, à une température proche de 350°C. Ces conditions d’utilisation modifient la microstructure de l’acier et son comportement mécanique, ce qui entraîne une dégradation de leurs propriétés mécaniques et de leur résistance à la corrosion. L’objectif de cette thèse est d’établir à l’échelle atomique une loi de comportement décrivant le déplacement d’une dislocation coin dans une solution solide Fe-Ni10-Cr20, d’apporter une compréhension des mécanismes d’interaction entre une dislocation coin et une boucle de Frank et d’investiguer l’effet de la température, du générateur aléatoire d’alliage, de l’orientation et du diamètre de la boucle sur la contrainte mécanique. Pour atteindre ces objectifs, des simulations en dynamique moléculaire sont réalisées, basées sur potentiel FeNiCr récemment développé pour imiter le comportement de l’acier austénitique inoxydable. Les simulations sont réalisées en conditions statiques, à 300 K, 600 K et 900 K et les interactions effectuées pour des tailles de boucle de Frank de 2 nm et 10 nm. nous proposons une loi de comportement où sont incluses la température et la vitesse de déformation; l’interaction entre la dislocation coin et la boucle de Frank révèle trois types de mécanismes d’interactions : le cisaillement simple, le défautement et l’absorption de la boucle. L’absorption est le mécanisme le plus stable ; Les analyses des propriétés mécaniques résultantes ont montré que le mécanisme de défautement requiert la contrainte la plus élevée pour que la dislocation franchisse l’obstacle. D’autre part, contrairement aux études précédentes, le défautement de la surface de la boucle n’a lieu que lorsque celle-ci entre en contact avec la dislocation coin ; dans le cas de la boucle de Frank de 2 nm, la corrélation entre la probabilité du mécanisme d’interaction et la force moyenne de l’obstacle constitue des données utiles pour les simulations en Dynamique des Dislocations. Les observations des configurations résultantes de la boucle de Frank suite à l’interaction avec la dislocation permettent de justifier l’apparition de bandes claires observées au MET. Ce travail a été partiellement soutenu par la Commission européenne FP7 par le numéro de subvention 232612 dans le cadre du projet PERFORM 60
Austenitic stainless steels are widely used in the nuclear industry as internals. These structures reside mainly in the reactor vessel and, due to their proximity with fuel assemblies, are subjected to severe operating conditions. These elements are exposed to high irradiation doses which can reach 100 dpa after 40 years of operating, at a temperature close to 350°C. These operating conditions affect the microstructure of steels and their mechanical behavior, which leads to the deterioration of their mechanical properties and their corrosion resistance. The objective of this PhD research work is to establish at the atomic scale a constitutive law describing the edge dislocation motion in a random Fe-Ni10-Cr20 solid solute solution, to bring a comprehensive understanding of the interaction mechanism between the edge dislocation and the Frank loops and to investigate the effect of temperature, alloying random generator, orientation and size of the Frank loop on the mechanical stress. To achieve these objectives, molecular dynamics simulations were conducted with a recently developed FeNiCr potential used to mimic the behavior of austenitic stainless steels. These simulations have been performed in static conditions as well as at 300 K, 600 K and 900 K and the interactions realized for loop sizes of 2nm and 10nm. A constitutive law taking into account the temperature and strain rate is proposed; the interaction between the edge dislocation and the Frank loop revealed 3 kinds of interaction mechanisms: simple shearing, unfaulting and absorption of the loop. Absorption is the most stable mechanism; the analyses of the resulting mechanical properties have shown that the unfaulting mechanism requires the highest stress to make the dislocation overcome the obstacle. On the other hand, contrary to previous studies, the unfaulting of the loop surface occurs only when the dislocation comes into contact with the edge dislocation; for the 2 nm Frank loop size, the coupling between the probability of the outcome of the reaction and the average strength of the obstacle constitutes useful data for Dislocation Dynamics simulations. The observations of the resulting Frank loop configurations following the interaction with the dislocation allow justifying the emergence of clear bands observed in TEM. This work has been partially supported by the European Commission FP7 with the grant number 232612 as part of the PERFORM 60 project

La multicellularité chez les plantes repose sur une communication intercellulaire qui permette le transfert d'informations à travers l'entièreté de l'organisme. Chez les plantes terrestres, la route principale de ces “conversations cellulaires” est assurée par les plasmodesmes (PD), des canaux nanoscopiques qui traversent la paroi pecto-cellulosique. En effet, ces pores sont impliqués dans la circulation d'une très grande variété de molécules, comme des facteurs de transcription, de l'ARN, des hormones et des métabolites et ceci à tous les stades de la vie végétale, permettant réponses et adaptations à l'environnement. Les PD sont particuliers dans le sens où ils forment une continuité du réticulum endoplasmic (RE), de la membrane plasmique (MP) et du cytoplasme entre les cellules adjacentes. Leur architecture est singulière et consiste en un filament de RE, appelé desmotubule, entouré d'un tube de MP qui, lui, longe la paroi. Les PD sont actuellement décrits comme des sites de contact membranaire, du fait du fort accolement des membranes du RE et de la MP (2 à 10 nm) et de la présence de protéines de jonction qui connectent les deux organelles. Dans la présente étude, nous décrivons au niveau structural et fonctionnel plusieurs membres de la famille des MCTPs (protéine avec de multiples domaines C2 et une région transmembranaire) comme protéines assurant la jonction du RE et de la MP dans les PD. Nous démontrons que ces protéines possèdent les caractéristiques moléculaires nécessaires à l'interaction transitoire avec les lipides anioniques de la MP, via leurs domaines C2, ainsi qu'à l'induction de courbure membranaire au RE, via la région transmembranaire qui agit comme un domaine homologue aux protéines réticulons. Ces données nous ont permis de corréler la fonction des MCTPs à l'architecture et la biogenèse des PD et de réfléchir au rôle du RE à l'intérieur des PD. En conclusion, ce travail a fourni des résultats originaux qui placent les MCTPs comme des protéines centrales dans l'établissement de la structure fine des PD et des fonctions qui y sont associées
Plant multicellularity relies on intercellular communication in order to transmit information from cell to cell and throughout the entire plant body. In land plants, the major line for such cellular conversations is through plasmodesmata (PD) pores, which are nanoscopic membranous tunnels spanning the pecto-cellulosic cell wall. These pores are indeed involved in the transfer of a wide variety of molecules such as transcription factors, RNAs, hormones and metabolites during all stages of plant life, adaptation and responses to their environment. PD are singular amongst other types of intercellular junctions as they provide a direct continuity of the endoplasmic reticulum (ER), the plasma membrane (PM) and the cytosol between neighboring cells. Their architectural organization can be summarized as followed: a thin strand of constricted ER, called desmotubule, is encased in a tube of PM lining the cell wall. PD are seen as a specialized ER-PM membrane contact sites from the very close apposition (2 to 10 nm) of the ER and PM membranes and the presence of tethering elements bridging the two organelles. In this study, we describe the structural organization and function of several members of the MCTP (Multiple C2 domains and Transmembrane region Protein) family which act as ER-PM tethering elements at PD. We show that these proteins possess molecular features capable of transient interaction with anionic lipids of the PM, through their C2 domains, as well as ER membrane shaping, through their transmembrane region which presents homology to a reticulon domain. We further correlate MCTP function with PD architecture and biogenesis, and investigate on the role of the ER inside PD. Altogether, this work provides original data placing MCTPs as core PD proteins that appear to be crucial in the establishment of PD ultrastructure and associated functions

Depuis quelques années, la microplasturgie est un secteur en plein développement. Cependant, le comportement rhéologique des matériaux polymères dans des géométries très minces (dimension inférieure à 100 µm) n’est pas bien caractérisé. Peu de travaux ont été entrepris à ce sujet, en particulier en ce qui concerne les écoulements de Poiseuille qui sont pourtant les plus représentatifs des conditions de mise en œuvre usuelles. Ainsi, ce travail a pour but la mise au point d’une méthode expérimentale permettant d’obtenir des données pertinentes afin de caractériser de façon approfondie le comportement des matériaux polymères en écoulement de Poiseuille dans des géométries micrométriques. Afin de décrire au mieux la physique de tels écoulements, nous avons également cherché à les simuler numériquement, soit en utilisant des lois de comportement classiques, soit à l’aide de modèles se référant à la dynamique moléculaire. Pour atteindre ces objectifs, une filière à fente plate instrumentée avec des capteurs de pression et température, d’entrefer variant entre 50 et 200µm, a été conçue afin d’effectuer des mesures à l’aide d’un rhéomètre capillaire. Ce dispositif a été validé en confrontant les mesures à celles obtenues par d’autres méthodes (rhéométrie capillaire en filière classique et rhéométrie dynamique). Le glissement à la paroi a également été étudié, selon la méthode de Mooney. La simulation numérique de l’écoulement a d’abord été réalisée à l’aide de POLYFLOW®. L’effet de la pression sur la géométrie ainsi que sur le matériau polymère a été étudié. Puis, l’écoulement a également été simulé sous MATLAB® en utilisant des lois constitutives de type moléculaire basées sur le modèle du tube de Doï-Edwards ainsi que sur le concept de « Molecular Stress Function » introduit par Wagner pour rendre compte des effets d’orientation des molécules (variation du diamètre du tube) dans le champ de contraintes. L’écart constaté entre ces calculs et les résultats expérimentaux est expliqué et discuté à la lumière des simulations sous POLYFLOW®. Il modifie les perspectives d’étude de ce type d’écoulements
The rheological behavior of polymer melts in microscale geometries is not really understood yet. In such processes which involve gaps thinner than 100µm (e.g. micro-injection molding), the material behaves differently compared to macroscopic flows. Besides, most polymer processing techniques involve pressure flows and only very few studies can be found about pressure flows in such thin geometries. The aim of this study was, first, to develop an experimental method which can provide relevant data about the rheological behavior of polymer melts in pressure flow taking place in microscale geometries. In order to get better descriptions of the physics involved in such flows, numerical simulation with commercial and home-made softwares was also implemented, especially with molecular dynamics constitutive models. Thus, a modular rheometrical slit die equipped with pressure and temperature transducers was designed to be adapted to a capillary rheometer, with different gap dimensions available, between 50µm and 200µm. The device was assessed by comparing to usual rheological ones, and wall slip was investigated according to Mooney’s method. Then, simulation of the flow was performed with POLYFLOW®. The pressure effect on the geometry and on the polymer material was investigated. Besides, simulation was also conducted with MATLAB® by implementing the Doi-Edwards’ tube model (reptation theory) and the Molecular Stress Function concept of Wagner to take into account the enhanced orientation of the molecules due to the very close vicinity of the die walls. Experimental results were compared to calculations, and the discussion of the discrepancies was supported by POLYFLOW® simulations. The conclusions somewhat modify the prospects for future studies of such flows