Tesis sobre el tema "Dynamique du proton"

La mobilite anormale d'un proton dans l'eau est attribuee traditionnellement a une succession de reactions de transfert de proton entre molecules d'eau voisines (mecanisme dit de grotthus). Pour etudier la nature microscopique du proton hydrate et son mecanisme de transport, nous introduisons un modele semi-empirique de liaison de valence (ajuste sur des calculs ab-initio). Le modele permet de tenir compte d'un nombre n arbitraire d'etats de valence pour le systeme proton + eau et l'etat electronique fondamental est obtenu par diagonalisation d'une matrice d'interaction n n. Le champ de force resultant autorise la delocalisation de la charge du proton sur plusieurs molecules environnantes et la brisure et formation successives des liaisons o-h +. Nous avons applique ce champ de force pour etudier, avec un cout numerique faible, la structure et la dynamique des petits agregats d'eau protones ainsi que la dynamique de transfert d'un proton dans l'eau liquide. Le caractere quantique du proton est inclus dans les parametres du modele a partir d'un calcul d'integrales de chemin prealable. A la lumiere des simulations, le mecanisme de transfert du proton peut etre interprete comme la translocation d'une structure h 5o 2 + transitoire le long du reseau hydrogene de l'eau plutot que comme une simple suite de reaction h 3o + + h 2o h 2o + h 3o +. Le spectre d'absorption infrarouge tres large qui caracterise la presence de proton en exces dans l'eau est aussi calcule et analyse. Les bandes autour de 1200 et 1800 cm - 1 sont attribuees a un melange de modes de pliage et d'elongation asymetrique du complexes h 5o 2 + et le continuum d'absorption entre 2000 et 3000 cm - 1 provient de l'interconversion entre la forme delocalisee, h 5o 2 +, et localisee (h 3o +) du proton hydrate qui est induite par les fluctuations du milieu aqueux environnant.

Les protéines fluorescentes sont très largement utilisées dans les études de biologie moléculaire depuis maintenant une vingtaine d’année. Pour autant, l’origine de leurs propriétés photophysiques n’est pas totalement élucidée. Dans cette thèse, nous avons essayé d’améliorer la compréhension de la photophysique de deux protéines fluorescentes particulières : Padron et EosFP.Dans la protéine Padron, nous avons étudié l’isomérisation du chromophore et cherché à déterminer si la protonation et l’isomérisation sont simultanées ou successives. Pendant l’isomérisation, le donneur de proton potentiel est le résidu Tyr159. Nous avons d’abord montré que dans le vide, le transfert de proton est peu probable quelle que soit la géométrie du chromophore. Dans la protéine (où l’effet de l’environnement n’est pas négligeable) nous avons mis en évidence par dynamique moléculaire que, durant l’isomérisation, le transfert de proton n’est presque jamais favorable et reste donc un marginal.Par ailleurs, ces mêmes dynamiques ont montré que, à la fin de l’isomérisation, il apparaît de nombreux chemins de molécules d’eau reliant le chromophore au solvant et pouvant permettre un transfert de proton. On conclut doncque l’isomérisation et la protonation ne sont pas simultanées mais successives.Dans le cas de la protéine EosFP, nous avons analysé l’effet d’une molécule d’eau présente dans une partie des structures cristallines. Les dynamiques avec le chromophore à l’état fondamental ont montré que cette molécule ne joue pas de rôle, que ce soit sur le réseau de liaison hydrogène ou sur le spectre d’absorption. Par contre, à l’état excité, les dynamiques ont montré que l’extinction de fluorescence est beaucoup plus rapide sans la molécule d’eau qu’en sa présence.Par ailleurs, ces dynamiques ont mis en évidence que la protéine bloque souvent le chromophore dans des géométries où il ne peut pas retourner à l’état fondamental ni par fluorescence, ni par conversion interne. Ces géométries « noires» jouent un rôle important dans la photophysique.Pour tenir compte de ces géométries, nous avons calculé le rendement quantique et le temps de vie de fluorescence par intégration directe le long des trajectoires et par cinétique chimique. Dans les deux cas, nous avons obtenu un accord qualitatif avec l’expérience<br>Fluorescent proteins are widely used in biology studies since 20 years. Yet, the origin of their photophysical properties aren’t totally explained. Here, we try to improve the understanding of two particular fluorescent proteins: Padron and EosFP.In the protein Padron, we work on the isomerization of chromophore and try to determine whether isomerization and protonation are simultaneous or successive processes. During the isomerization, the potential donor is Tyr159.First, we show that, in vacuum, the proton transfer is quite unlikely whatever the chromophore geometry.In the protein (where the environment effect isn’t negligible) we evidence with molecular dynamics that, during isomerization, proton transfer stays marginal.In addition, these dynamics shown the appearance, at the end of isomerization, of a lot of water molecules channel between the chromophore and the solvent allowing a proton transfer. We conclude that isomerization and protonation are successive processes.In the case of the protein EosFP, we first analyze the effect of a water molecule which is found only in some of the crystallographic structures.Molecular dynamics of the protein with the chromophore in the ground state show that the water molecule doesn’t play any role neither in the hydrogen bond network nor in the absorption spectra.On the contrary, in the excited state, dynamics without this water show a significant faster decay of fluorescence that those with the molecule.In addition, those dynamics have demonstrate that during long period, the protein retains the chromophore in geometries in which it is unable to convert to the ground state, neither by fluorescence nor by internal conversion. Those “dark” geometries play a crucial role in the photophysics.To take them into account, we calculate the quantum yield and the fluorescence lifetime by direct integration along trajectories and by a kinetic scheme. We obtain a good qualitative agreement with the two methods

Les simulations à l'échelle atomique des hydrates d'ammoniac posent des défis théoriques et numériques majeurs pour plusieurs raisons. La description de systèmes désordonnés et/ou frustrés nécessite des simulations à grande échelle (plusieurs milliers d'atomes sur des échelles de temps de l'ordre de la nanoseconde). Ceci rend impossible l'utilisation de méthodes ab initio pour décrire les interactions interatomiques. La présence d’hydrogène induit une grande complexité du diagramme de phase. Les propriétés spécifiques des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau et d'ammoniac expliquent la plasticité, les sauts de protons produisent des phases ioniques et à haute pression, le comportement quantique des protons n'est pas négligeable : l'approximation habituelle de la dynamique moléculaire, qui traite les noyaux atomiques comme des objets classiques, n'est plus valable. Après un chapitre théorique sur les techniques de simulation utilisées, le deuxième chapitre de ce travail traite du problème de la diffusion du proton dans un solide avec la prise en compte des effets quantiques nucléaires. Deux classes principales de méthodes de dynamique moléculaire sont comparées, i.e. les méthodes de bain quantique (QTB/adQTB), basées sur l'équation de Langevin généralisée et les méthodes dérivant du formalisme des intégrales de chemin de la mécanique quantique ((T)RPMD). L'objectif est de déterminer quelle méthode serait la plus précise et numériquement la moins coûteuse pour étudier le saut et la diffusion des protons dans les hydrates d'ammoniac. La méthode (T)RPMD semble remplir approximativement cet objectif, tandis que les méthodes QTB/adQTB surestiment considérablement la diffusion. Toutefois, leur faible coût de calcul ne les exclut pas complètement de l'étude des propriétés quantiques de ces systèmes. Le troisième chapitre présente une étude théorique de la transition de phase cristal-plastique dans l'hémi-hydrate d'ammoniac, entre 2GPa et 10GPa, et entre 300K et 600K. Les résultats expérimentaux montrent l'apparition de phases plastiques et désordonnées, bien qu'ils ne fournissent pas d'explication complète sur les mécanismes à l'origine des transitions de phase. Nous utilisons principalement la dynamique moléculaire classique, couplée à des champs de force, afin de simuler plus de cent-milles atomes sur des échelles de temps de quelques dizaines de nanosecondes. Nos résultats localisent correctement la transition de phase et détectent le changement d'un cristal monoclinique à un alliage moléculaire désordonné avec une cellule cubique à corps centré, qui fond à très haute température. De plus, nous pouvons expliquer comment le réseau de liaisons hydrogène évolue avec la température, et de caractériser la phase plastique en termes de désordre orientationnel des dipôles moléculaires. Enfin, nous avons déterminé la diffusion moléculaire qui se produit à la transition et au-dessus, ce qui permet la formation de l'alliage eau-ammoniac prévu par les expériences. Les effets quantiques nucléaires ont été testés par les méthodes adQTB et (T)RPMD, en évaluant quelles propriétés sont les plus affectées par la nature quantique des atomes d'hydrogène<br>Atomic-scale simulations of ammonia hydrates pose major theoretical and numerical challenges for several reasons. The description of disordered and/or frustrated systems requires large-scale simulations (several thousand atoms on nanosecond time scales). This makes impossible to use ab initio methods to describe interatomic interactions. Moreovere, the presence of hydrogen leads to a highly complex phase diagram. The specific properties of hydrogen bonds between water and ammonia molecules explain the plasticity, proton jumps produce ionic phases, and at high pressures, the quantum behavior of protons is not negligible: the usual molecular dynamics approximation, which treats atomic nuclei as classical objects, is no longer valid. After a theoretical chapter on the simulation techniques used, the second chapter of this work deals with the problem of proton diffusion in a solid, taking nuclear quantum effects into account. Two main classes of molecular dynamics methods are compared, i.e. quantum bath methods (QTB/adQTB), based on the generalized Langevin equation, and methods derived from the quantum mechanical path integral formalism ((T)RPMD). The aim is to determine which method would be the most accurate and numerically the least expensive for studying proton hopping and diffusion in ammonia hydrates. The (T)RPMD method appears to approximately meet this objective, while the QTB/adQTB methods considerably overestimate diffusion. However, their low computational cost does not completely exclude them from the study of the quantum properties of these systems. The third chapter presents a theoretical study of the crystal-plastic phase transition in ammonia hemihydrate, between 2GPa and 10GPa, and between 300K and 600K. The experimental results show the appearance of plastic and disordered phases, although they do not provide a complete explanation of the mechanisms behind the phase transitions. We mainly use classical molecular dynamics, coupled with force fields, to simulate 100,000 atoms on time scales of tens of nanoseconds. Our results correctly localize the phase transition and detect the change from a monoclinic crystal to a disordered molecular alloy with a bcc cell, which melts at very high temperatures. Furthermore, we can explain how the hydrogen bonding network evolves with temperature, and characterize the plastic phase in terms of the orientational disorder of the molecular dipoles. Finally, we have determined the molecular diffusion that occurs at and above the transition, enabling the formation of the water-ammonia alloy predicted by the experiments. Nuclear quantum effects have been tested by adQTB and (T)RPMD methods, assessing which properties are most affected by the quantum nature of hydrogen atoms

L’ étude s'est focalisée sur la caractérisation précise de la position et de la dynamique du proton dans l'hydroxyde de calcium en fonction de la température. Une étude structurale par diffraction des neutrons sur monocristal a montre l'existence probable de trois sites désordonnés pour l'atome d'hydrogène. Ce résultat permet de donner une nouvelle interprétation des résultats de spectroscopie, infrarouge et Raman, et une nouvelle description de phénomènes préréactionnels précédant la déshydratation. L'évolution en fonction de la température a été caractérisée a l'aide de plusieurs méthodes expérimentales: dilatation thermique par diffraction très précise des rayons X, chaleur spécifique par calorimétrie adiabatique, constante diélectrique par mesure d'impédance et analyse de distribution de charge, dynamique du proton par résonance magnétique nucléaire. Une anomalie a été mise en évidence entre 200 et 300 k et a été interprétée en termes de phénomène active. L'existence simultanée d'un désordre structural et d'un phénomène active a permis d'envisager l'hypothèse d'une transition vitreuse

Ce travail de thèse s'intéresse à la compréhension de la forte mobilité du proton dans l'eau. L'eau est fondamentale pour la vie et est le milieu essentiel pour les processus chimiques et biologiques. La richesse de l'interdisciplinarité des sciences permet d'en étudier les propriétés au niveau moléculaire qui la rendent unique. La technique privilégiée pour cette étude est la spectroscopie vibrationnelle résolue en temps à l'échelle femtoseconde. Plusieurs expériences sont réalisées pour caractériser la dynamique de l'eau à cette échelle de temps. La visualisation de la rotation des molécules d'eau obtenue par des mesures d'anisotropie est présentée. Cette expérience est réalisée dans l'eau isotopique HDO/D2O pour des raisons de convenance expérimentale et théorique. Cependant ce n'est pas l'eau. L'eau pure H2O est étudiée à partir des modes de libration permettant de s'affranchir d'effets thermiques gênants. Un transfert résonnant énergétique intermoléculaire est alors observé. Enfin la forme localisée du proton dans les molécules d'eau (appelée forme Eigen) est mise en évidence expérimentalement. Cette molécule est impliquée dans l'explication de la mobilité anormale du proton dans l'eau appelé mécanisme de Grotthuss.

Le sujet de cette these est l'etude du processus de transfert d'un proton en exces dans petits agregats de molecules d'eau en phase gazeuse et dans l'eau liquide. L'analyse est effectuee par simulations de dynamique moleculaire (DM) dans lesquelles nous utilisons le modele des liaisons de valence a' plusieurs etats (multi-state empirical valence bond, MS-EVB). Dans les simulations classiques de DM, cette methode est utilisee pour la modelisation des surfaces d'energie potentielle (SEP) pour des systemes qui subissent une reaction chimique. Dans notre cas, cette methode est utilisee pour determiner la surface de Born-Oppenheimer (BO) de l'etat fondamental pour un systeme dans lequel la reaction de transfert de proton se produit. Dans la methode MS-EVB, des potentiels empiriques de couple additifs sont introduits pour la modelisation des energies d'interaction entre les especes chimiques qui identifient les reactants et les produits. Les potentiels modeles dependent des parametres qui sont choisis de facon telle qu'ils fittent la surface de BO du modele EVB sur la surface calculee par des calculs ab initio pour le complexe H5O2+, entoure' par des molecules d'eau a' temperature ambiante. L'analyse du mecanisme de transfert de proton (TP) est realise' par l'etude des proprietes structurelles et vibrationelles des agregats isoles et de l'eau liquide. L'analyse vibrationelle est effectuee en interpretant les spectres des agregats, sur la base d'une technique, extension de l'analyse en modes normauax. Nous examinons le role de la solvatation, l'effet des fluctuations du solvant autour de la charge en exces, les caracteristiques du reseau des liaisons hydrogene autour du proton.

La conformation des oligonucleotides (m**(5)dc-dg)::(2), (m**(5)dcdg)::(3) et (br**(5)dc-dg)::(3) peut etre sous forme b et z. Les stabilites thermiques de ces 2 formes sont differentes la fusion de la forme b est monophasique, celle de la forme est biphasique. Une premiere transition a ete observe, refletant un remaniement conformationnel intramoleculaire. Ce remaniement intramoleculaire conduit de la forme z a une double helice gauche dont le caractere de nucleotidique de l'unite repetitive est atteint et ou l'empilement des bases est modifie. L'etude du mecanisme d'echange chimique des protons de la guanine montre que dans tous les tampons utilisees catalysent le transfert en accord avec la theorie de biomoted. Etude comparative des cinetiques d'echange des formes z a permis d'attribuer les 2 protons lents aux protons amino de la cytosine

Les protéines fluorescentes (PF) homologues d’AvGFP (Green Fluorescent Protein de la méduse Aequorea victoria) sont des outils incontournables de l’imagerie des processus de la cellule vivante. Leurs performances conditionnent la précision de l’analyse quantitative des signaux de fluorescence. Le développement de nouvelles PF demande donc à la fois de parvenir à une forte brillance tout en contrôlant la réponse de la protéine aux variations des paramètres physico-chimiques de la cellule en fonction de la question biologique étudiée. A ce jour, les PF jaunes disponibles montrent une forte sensibilité au pH. Afin d’élaborer des mutants moins sensibles, deux approches ont été considérées : une première consiste à mieux appréhender l’incidence de la dynamique du réseau de liaisons hydrogène entourant le chromophore sur son équilibre acido-basique. La seconde vise à identifier les facteurs structuraux à l’origine de la brillance particulièrement élevée de nouvelles PF jaunes et jaune-vert provenant d’un ver marin, Branchiostoma lanceolatum.J’ai d’abord mis au point un algorithme recherchant l’ensemble des liaisons hydrogène présentes au sein d’une protéine et qui étudie leur dynamique au cours de simulations par dynamique moléculaire. Il permet leur agrégation en réseaux, l’identification des réseaux connectés à un atome d’intérêt ainsi que le suivi de leur dynamique. Pour validation, cet algorithme a été appliqué à la recherche des réseaux de liaisons hydrogène présents au sein de différents mutants d’AvGFP pour lesquels un transfert de proton à l'état excité a été étudié expérimentalement. Cet algorithme pourra également servir à comprendre de façon dynamique le mécanisme d’autres systèmes biologiques dont la fonction repose sur le transfert de protons.D’autre part, j’ai résolu la structure de la protéine fluorescente jaune naturelle lanYFP de Branchiostoma lanceolatum, particulièrement brillante mais à la structure quaternaire tétramérique. Cette protéine a été rendue monomérique par évolution dirigée, ce qui a donné la protéine mNeonGreen à la fluorescence jaune-vert, protéine désormais étalon dans cette gamme spectrale, et dont j’ai également résolu la structure. Mon étude a permis de rationaliser a postériori l’ensemble des mutations introduites au cours de l’évolution. Enfin, j’ai réalisé une étude du dégât d’irradiation spécifique des rayons X permettant de comprendre le changement remarquable de couleur observé sur les cristaux de mNeonGreen après collecte de données de diffraction.L’ensemble des résultats obtenus au cours de ma thèse permet de proposer un cadre de compréhension à la fois théorique et expérimental des déterminants contrôlant les propriétés de fluorescence des PF jaunes<br>Fluorescent Proteins (FPs) homologous to AvGFP (Green Fluorescent Protein from the jellyfish Aequoria victoria) are versatile tools used in live cell imaging. The amount of information that can be derived from the fluorescence signals depends on the spectroscopic performances of the FP. The development of new FPs should focus on both brightness increase and control of the protein response to physicochemical parameter variations within the cell. Current yellow FPs exhibit a strong sensitivity to pH. In order to engineer less sensitive variants, two complementary approaches have been used: the first one consists in studying the influence of the hydrogen bond network dynamics around the chromophore on its protonation state. In the second one, I have sought to identify the structural determinants of the particularly high brightness of newly discovered yellow FPs from a sea worm, Branchiostoma lanceolatum.First, I wrote an algorithm that can identify all hydrogen bonds within a protein and analyse their dynamics along molecular dynamics simulations. It allows for their clustering in networks, the identification of networks connected to a given atom and the monitoring of their dynamics. The method was validated by using the algorithm on various AvGFP mutants for which excited state proton transfer has been experimentally studied. This algorithm should also be useful for the study of other biological systems whose function is based on proton transfer.Besides, I solved the structure of the natural yellow FP lanYFP from Branchiostoma lanceolatum, which is particularly bright, but presents a tetrameric arrangement. This protein was monomerized by directed evolution, which led to the yellow-green FP mNeonGreen, now a benchmark in this spectral range. I also solved the structure of mNeonGreen, which allowed me to rationalize a posteriori the mutations that have been introduced during the evolution process. Finally, I performed a specific radiation damage study in order to explain the remarkable change in colour of mNeonGreen crystals upon X-ray data collection. Altogether, the results of my PhD work provides a theoretical and experimental framework of the determinants that drive the fluorescence properties of yellow FPs

Nous presentons l'etude par simulation de dynamique moleculaire d'un modele de reaction de transfert de proton oh-n o#--h#+n en solution dans le chloromethane. La constante de vitesse est calculee a un niveau quantique pour des complexes qui different par la force de la liaison hydrogene ou par la distance o-n d'equilibre. Nous soulignons l'influence des proprietes du complexe sur la reaction. Nous discutons egalement le role statique et dynamique du solvant, la contribution de l'effet tunnel a la constante de vitesse, et l'effet isotopique associe. Nous developpons d'abord un formalisme de croisement de surfaces de potentiel presentant des aspects originaux et permettant de determiner la constante de vitesse avec un cout reduit en temps de calcul. Les resultats de cette approche sont compares a ceux d'une theorie de l'etat de transition quantique, basee sur le formalisme des integrales de chemins. L'accord est satisfaisant, bien qu'une divergence apparaisse dans le regime adiabatique ; une estimation rigoureuse des cfficients de transmission est alors requise. L'addition de prefacteurs d'energie de point zero et d'effet tunnel a la constante de vitesse classique s'avere insuffisante dans le cas present. Pour calculer le cfficient de transmission, nous commencons par simplifier le probleme en introduisant une fonctionnelle d'influence, dans laquelle les coordonnees du solvant sont remplacees par le champ electrique le long de la liaison oh-n. Les resultats ainsi obtenus sont en bon accord avec ceux de la simulation complete, alors que l'effort de calcul est considerablement reduit. Dans le meme esprit, nous introduisons une description dynamique semi-classique, avec le champ electrique agissant sur le complexe comme coordonnee de reaction et son interaction dynamique avec le proton traitee de maniere stochastique, par une equation de langevin generalisee

Les ressources de la rmn haute resolution des solides ont ete appliquees au phenomene de transfert de proton intramoleculaire responsable du comportement thermochrome des n-3-hydroxysalicylideneamines. Pour cela, des derives d'amines aliphatiques et d'anilines substituees ont ete synthetises afin d'evaluer l'influence des substituants sur la position de l'equilibre tautomere entre les formes phenol et quinone. Les structures cristallines de chaque compose ont ete determinees par diffraction des rayons x afin d'interpreter correctement les resultats de rmn. Pour caracteriser le transfert de proton, nous avons exploite les resultats de la rmn 1 3c et 1 5n cpmas a differentes temperatures ainsi que la rmn 1 3c cpmas pour differentes valeurs du champ magnetique. L'analyse des deplacements chimiques des noyaux sensibles aux variations de la position de l'equilibre a permis d'estimer les contributions de chaque espece tautomere, et donne des resultats en excellent accord avec la diffraction des rx. L'etude des spectres en fonction de la temperature ainsi que l'observation du couplage dipolaire residuel 1 3c- 1 4n revelent un processus dynamique extremement rapide (constante de vitesse k > 10 1 1s - 1). Enfin la rmn haute resolution 1 3c et 1 5n a mis en evidence le comportement polymorphe du compose n-3-hydroxysalicylideneaniline, montrant ainsi la grande sensibilite de la position de l'equilibre tautomere a la structure de l'empilement cristallin.

Un des défis pour les futurs projets en physique basé sur les accélérateurs de particules est le besoin de faisceaux à hautes intensités. Les effets collectifs sont cependant une limitation majeure qui peuvent détériorer la qualité du faisceau ou limiter l'intensité maximale à cause des pertes. Le CERN SPS, qui est le dernier injecteur pour le LHC, n'est actuellement pas en mesure de délivrer les faisceaux requis pour les futurs projets à cause des instabilités longitudinales.Les nombreux équipements dans la machine (les cavités RF accélératrices, les aimants d'injection et d'extraction, les brides de vide, etc.) entrainent des variations dans la géométrie et les matériaux de la chambre dans laquelle le faisceau transite. Les interactions électromagnétiques internes au faisceau (charge d'espace) et du faisceau avec son environnement sont représentées par une impédance de couplage qui affectent le mouvement des particules et mènent à des instabilités pour des intensités élevées de faisceau. Par conséquent, les sources d'impédance critiques doivent être identifiées et des solutions évaluées. Pour avoir un modèle d'impédance fiable d'un accélérateur, les contributions de tous les équipements dans l'anneau doivent être évaluées à partir de simulations et de mesures électromagnétiques. Dans cette thèse, le faisceau lui-même est utilisé comme une sonde de l'impédance de la machine en mesurant le déplacement de la fréquence synchrotronique avec l'intensité et la longueur du paquet, ainsi que la modulation de longs paquets injectés avec la tension RF éteinte. Ces mesures sont comparées avec des simulations par macroparticules en utilisant le modèle d'impédance du SPS existant, et les déviations sont étudiées pour identifier les sources d'impédance manquantes pour raffiner le modèle.L'étape suivante consiste à reproduire en simulations les instabilités mesurées pour un paquet unique durant l'accélération. Grâce à l'amélioration du modèle d'impédance, une meilleure compréhension des mécanismes de l'instabilité est rendue possible pour les faisceaux de protons et d'ions. Finalement, le modèle pour les simulations étant digne de confiance, il est utilisé pour estimer les caractéristiques du faisceau après les améliorations prévues du SPS pour le projet High Luminosity-LHC au CERN<br>One of the main challenges of future physics projects based on particle accelerators is the need for high intensity beams. However, collective effects are a major limitation which can deteriorate the beam quality or limit the maximum intensity due to losses. The CERN SPS, which is the last injector for the LHC, is currently unable to deliver the beams required for future projects due to longitudinal instabilities.The numerous devices in the machine (accelerating RF cavities, injection and extraction magnets, vacuum flanges, etc.) lead to variations in the geometry and material of the chamber through which the beam is travelling. The electromagnetic interaction within the beam (space charge) and of the beam with its environment are described by a coupling impedance which affects the motion of the particles and leads to instabilities for high beam intensities. Consequently, the critical impedance sources should be identified and solutions assessed. To have a reliable impedance model of an accelerator, the contributions of all the devices in the ring should be evaluated from electromagnetic simulations and measurements.In this thesis, the beam itself is used to probe the machine impedance by measuring the synchrotron frequency shift with intensity and bunch length, as well as the line density modulation of long bunches injected with the RF voltage switched off. These measurements are compared with macroparticle simulations using the existing SPS impedance model, and the deviations are studied to identify missing impedance sources and to refine the model.The next important step is to reproduce in simulations the measured single bunch instabilities during acceleration, in single and double RF system operation. Thanks to the improved impedance model, a better understanding of instability mechanisms is achieved for both proton and ion beams.Finally, as the simulation model was shown to be trustworthy, it is used to estimate the beam characteristics after the foreseen SPS upgrades the High Luminosity-LHC project at CERN

L’imidazole est un groupe fonctionnel important en chimie et biochimie. Cette thèse concerne l'étude théorique des propriétés de transfert protonique de l'imidazole en phase gazeuse et en solution en utilisant des méthodes de chimie quantique seules ou combinées à des simulations de dynamique moléculaire (méthode QM/MM). L’intérêt est concentre sur les effets statiques et dynamiques d'environnement sur le mécanisme de relais de proton impliquant le cycle imidazole. Tout d'abord nous avons évalué, au niveau ab initio, les effets dues au choix de la base de gaussienne et à la corrélation électronique sur les propriétés de tautomérisation et de protonation des 4(5)-methylimidazoles ainsi que sur leurs énergies de solvatation et les valeurs de pKa. Puis la surface d'énergie potentielle du transfert de proton dans le système modèle de formiate : imidazole : eau a été simulée en phase gazeuse et en solution en utilisant le modèle de solvatation du continuum. L’aspect dynamique du mécanisme de double transfert de proton est particulièrement caractérisé par une simulation QM/MM de dynamique moléculaire en utilisant un potentiel de type AM1/TIP3P sur le complexe NH4+ : imidazole : NH3 en solution. Auparavant le rôle de la fluctuation du solvant sur le lancement du processus de transfert protonique avait été illustré par la même méthode mixte QM/MM sur le système du dimère d'ammoniaque protoné. Ces études, qui mettent en évidence l'influence du solvant et le rôle central joue par le groupe d'imidazole dans plusieurs des réactions de transfert de proton catalysées par des enzymes, seront particulièrement utiles pour la compréhension du mécanisme d'action des triades catalytiques mettant en jeux le noyau imidazole.

L'etude de la dynamique fonctionnelle de la bacteriorhodopsine (br) par diffusion elastique incoherente de neutrons entre dans le cadre de l'etude des relations dynamique-fonction. La br est une proteine membranaire situee dans une partie de la membrane plasmique (membrane pourpre - pm) d'une archaebacterie halophile, halobacterium salinarium. Elle fonctionne comme une pompe a protons activee par la lumiere. Une etude anterieure sur la dynamique globale de la br a revele une transition dynamique a 200 k entre un regime harmonique et un regime non-harmonique, transition fortement correlee a la capacite de la br a parcourir toutes les etapes de son cycle fonctionnel. Une flexibilite structurale semblait desirable pour la fonction biologique de cette proteine. Cependant, le transfert de protons est unidirectionnel et se fait contre le potentiel de membrane, suggerant aussi l'existence dans la br d'une partie plus rigide que la moyenne, et pouvant servir de valve. Pour verifier cette hypothese, un echantillon de pm a ete prepare dans lequel essentiellement le cur de la proteine est hydrogene (visible aux neutrons) le retinal et les acides amines tryptophanes et methionines , toutes les autres parties de la pm etant deuterees (invisibles aux neutrons). Les resultats des experiences de diffusion elastique incoherente de neutrons sur ce cur ont ete compares a ceux obtenus precedemment en dynamique globale et montrent: i) une transition dynamique a une temperature de 80 k plus elevee, ii) des mouvements thermiques d'amplitude plus faible. Donc le cur apparait comme une partie plus rigide de la proteine. De plus, la dynamique de cette partie de la br est insensible a la fusion de l'eau d'hydratation ( 260 k) de la membrane. Ces resultats montrent la faisabilite et les potentialites des etudes de la dynamique des materiaux biologiques par diffusion de neutrons avec marquage isotopique selectif

Les processus d’oxydo-réduction impliquant des molécules organiques se retrouvent très fréquemment dans les protéines. Ces réactions comprennent généralement des transferts d’électrons et de protons qui se traduisent dans le bilan réactionnel par des transferts couplés proton-électron, des transferts simples d’hydrogène, d’hydrure... Une des principales méthodes pour élucider ces mécanismes est fournie par l'évaluation de grandeurs thermodynamiques et cinétiques. Expérimentalement, ces informations sont cependant obtenues avec une résolution temporelle souvent limitée à la milli/microseconde. Les simulations numériques présentées ici complètent, à des échelles de temps plus courtes (femto, pico, nanosecondes), ces données expérimentales. Il existe de nombreuses méthodes de simulations dédiées à l’étude de mécanismes redox dans les protéines combinant la description quantique des réactifs (QM) nécessaire à l’étude des changements d’états électroniques et la description classique de l’environnement (MM), l'échantillonnage de conformations se faisant grâce à des simulations de dynamique moléculaire (MD). Ces méthodes diffèrent par la qualité de la description du mécanisme réactionnel et le coût en temps de calcul. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de différents processus impliquant des transferts de protons et d’électrons en recherchant à chaque fois les outils adaptés. Elle comporte trois parties : i) l’évaluation de potentiels redox de cofacteurs quinones ; ii) la description du mécanisme d’oxydation du L-lactate dans l’enzyme flavocytochrome b2 ; iii) la décomposition d’un transfert formel d’hydrure entre deux flavines au sein de la protéine EmoB. Dans le cas du calcul des potentiels redox, nous utilisons une méthode notée QM+MM où la description électronique se fait en phase gaz au niveau DFT tandis que les simulations de MD s’effectuent classiquement. Nous appliquons l’approximation de réponse linéaire (ARL) pour décrire la réponse du système aux étapes de changement d’état de protonation ou d’oxydation de la fonction quinone ce qui aboutit au calcul du potentiel redox théorique. Nous avons ainsi pu établir une courbe de calibration des résultats théoriques en fonction des données expérimentales, confirmant la validité de l'ARL pour les cofacteurs quinones dans l’eau. La méthode a été étendue à la protéine MADH mais les limites de l’ARL ont été atteintes du fait des fluctuations importantes de l’environnement. L’étude de l’oxydation du L-lactate en pyruvate repose sur le calcul de surfaces d'énergie libre au niveau AM1/MM. Ces surfaces sont obtenues à l’aide de simulations de MD biaisées puis corrigées à l’aide de calculs d’énergies DFT. Différents chemins de réactions impliquant les transferts d’un proton et d’un hydrure du substrat vers une histidine et une flavine respectivement ont pu être identifiés. Ces transferts peuvent être séquentiels ou concertés suivant la conformation du site actif ou les mutations effectuées. Les surfaces concordent avec les effets observés expérimentalement. Les barrières obtenues restent cependant supérieures à celles attendues ouvrant la voie à d’autres simulations. La décomposition du mécanisme de transfert d’hydrure en transfert d’électron et d’atome d’hydrogène s’appuie sur de longues simulations classiques et des calculs d’énergies au niveau DFT contrainte (cDFT)/MM. La DFT contrainte permet de décrire les états diabatiques associés au transfert d’électron à différents stades du transfert d’hydrogène. En appliquant l’ARL, nous pouvons construire des paraboles correspondant aux états diabatiques et déterminer la séquence des évènements de transfert d'électron et d’hydrogène. La comparaison entre milieux protéique et aqueux nous a permis d’établir que le rôle de la protéine dans le transfert d'hydrure global est de bloquer le transfert d’électron en l’absence du transfert d’hydrogène empêchant ainsi la formation de flavines semi-réduites<br>Redox processes involving organic molecules are ubiquitous in proteins. They generally imply global reactions such as Proton Coupled Electron Transfers, hydrogen atom or hydride transfers which can be decomposed into both electrons and proton transfers. Kinetic and thermodynamic information leads to a better understanding of these mechanisms. However, experiments are often limited to a milli- or microsecond timescales. We present here numerical simulations allowing modeling at shorter timescales (femto, pico or nanosecond) to complete experimental data. Many numerical methods combine quantum description (QM) of the active center and classical description (MM) of the environment to describe redox transformations into biological media. Molecular dynamics (MD) simulations allowed a conformational sampling of the global system. Nevertheless, depending on their level of description of the QM part, the methods can cost more or less CPU time to get a good conformational sampling. In this thesis, we have studied different redox mechanisms involving both proton and electron transfers with a particular care paid to the balance between quality of the electronic description and of conformational sampling. For each mechanism, the coupled proton and electron transfers are investigated differently. This manuscript thus falls into three parts: i) the evaluation of the redox potentials quinone derivatives ; ii) the mechanistic description of the L-lactate oxidation into pyruvate in the flavocytochrome b2 enzyme; iii) decomposition of the formal hydride transfer occurring between two flavins in EmoB protein. A QM+MM scheme is chosen to evaluate redox potential of quinone cofactors: the electronic behavior is described at DFT level in gas phase while classical MDs provide a large conformational sampling of the molecule and its environment. Deprotonation and oxidation free energies are estimated by applying the linear response approximation (LRA). We finally get a theoretical value of the redox potential for different quinocofactors in water and a calibration curve of these theoretical results in function of experimental data. This curve allowed predictions of quinone redox potentials in water with a good accuracy (less than 0.1 eV). We also try our method on the MADH protein containing a Tryptophan Tryptophilquinone cofactor. However, because of great fluctuations of the environment, the LRA is not suitable for this system. This underlines the limits of our methodology. The oxidation of L-lactate to pyruvate is described by free energy surfaces obtained at AM1/MM level. Biased MDs provide the AM1/MM profile which is then corrected at DFT level. Several reactions pathways have been noticed. They consist in sequential or concerted transfers of a proton from L-lactate to a histidine and a hydride from L-lactate to a flavin cofactor. The coupling between the two transfers depends on the conformation of the active site or on the mutations. The obtained surfaces fit qualitatively the experimental data but the theoretical activation barriers are too high. Other simulations must be explored: different methods, other mechanism... Finally, a combination of long classical MDs and constrained DFT (cDFT)/MM are employed to decompose a hydride transfer between two flavins into one hydrogen atom and one electron transfer. cDFT methodology allow us to describe diabatic states associated to the electron transfer during the hydrogen atom transfer. Applying the LRA, we can build parabola of the diabatic and determine the sequence of the two transfers. The comparison of our results in the EmoB protein or in aqueous medium shows that the protein allows the electron transfer only if the hydrogen atom transfer is happening. By this way, no semi-reduced flavin is created

L’objectif de la thèse a été de comprendre la dynamique protonique et l'adsorption d'eau dans de nouveaux matériaux poreux identifiés expérimentalement comme des candidats prometteurs pour des applications dans le domaine de la conduction protonique et du transfert de chaleur par adsorption. Dans ce contexte, des simulations à l’échelle électronique (Théorie de la fonctionnelle de la Densité) et atomique (Monte Carlo et Dynamique Moléculaire classique) ont permis (i) d’élucider les mécanismes de conduction protonique assistées par l’eau de deux matériaux hybrides de type MOFs, MIL-163(Zr) et KAUST-7', et d'un phosphate de titane, TiIVTiIV(HPO4)4 à l’origine de leurs performances exceptionnelles et (ii) d’interpréter les comportements d’adsorption de l’eau d’une série de matériaux hybrides CUK-1(Me), MOF-801(Zr) and MIL-100(Fe) qui peuvent être modulées par la nature de leur centre métallique, la création de défauts et l’incorporation de sites de coordination insaturés. Cette connaissance fondamentale devrait permettre de voir émerger de façon plus efficace des matériaux pour les deux applications visées<br>The objective of this PhD thesis was to gain insight into the proton dynamics and water adsorption mechanisms in novel porous materials that have been identified experimentally as promising candidates for low temperature proton conduction and adsorption-based heat reallocation-related applications. This was achieved by combining advanced computational tools at the electronic (Density Functional Theory) and atomic (force field_based Monte Carlo and Molecular Dynamics) levels to (i) reveal the water-assisted proton migration pathway through the pores of the hybrid metal organic frameworks MIL-163(Zr) and KAUST-7’and the inorganic phosphonate TiIVTiIV(HPO4)4 materials at the origin of their outstanding proton conduction performances and (ii) explain the water adsorption behaviors of a series of metal organic frameworks CUK-1(Me), MOF-801(Zr) and MIL-100(Fe) that can be tuned by changing the nature of the metal center, creating defects and incorporating coordinatively unsaturated sites. Such a fundamental understanding is expected to pave the way towards a more efficient development of materials for the two explored applications

A temperature ambiante, la potentiometrie et la r. M. N. Multinoyaux ont ete utilisees pour determiner la sequence de deprotonation et les conformations preferentielles du myoinositol hexakisphosphate (ip#6h#1#2), a 0<ph<12. Les signaux #1h, #1#3c et #3#1p ont ete attribues grace a l'etude des constantes de couplage homo- et heteronucleaires, et a la r. M. N. 2d. La molecule adopte en solution aqueuse deux conformations, axiale ou equatoriale, resultant de la formation de liaisons hydrogene intramoleculaires entre les groupements phosphate. Ces interactions stabilisent la forme equatoriale a ph<9,5 et la forme axiale a partir de ph>9,5. L'etude r. M. N. Menee a temperature variable (263-298 k), dans l'intervalle 9<ph<12, ou existe l'echange dynamique entre les deux conformations, nous a permis d'etablir les parametres thermodynamiques de cet equilibre conformationnel, et de mettre en evidence l'importance des phenomenes de solvatation dans les processus de transfert de proton et delocalisation partielle des charges

L'objectif du travail de these etait de synthetiser des bioxydes de manganese dotes d'une reversibilite amelioree, d'une part, et d'etudier la dynamique du proton dans mno#2 par la diffusion inelastique des neutrons pour une meilleure connaissance du deroulement de l'insertion du proton d'autre part. En ce qui concerne le premier point, l'essentiel des resultats obtenus peut se resumer ainsi: les materiaux synthetises sont regenerables sur plusieurs dizaines de cycles de decharge et de recharge, sous une profondeur de decharge de 0,54 e/mn tandis que les bioxydes industriels ne depassent pas une dizaine de cycles. Cette amelioration de regenerabilite s'accompagne d'un gain en potentiel de 0. 25 volts. Cet accroissement constitue un fait nouveau et interessant. Il est du a l'intervention de l'etat d'oxydation vii ou vi du manganese. La diffusion inelastique des neutrons montre: 1) que l'hypothese de ruetschi sur le role des lacunes sur la reactivite des mno#2 est globalement verifiee. En particulier les sites ramsdellite et pyrolusite qui se trouvent au voisinage de ces lacunes sont les premiers a etre pourvus de protons des le debut de l'insertion; 2) les sites ramsdellites occupes par deux protons peuvent coexister avec des sites ramsdellites occupes par un seul proton. Ces resultats sont en desaccord avec les idees habituellement admises par la majorite des auteurs au sujet du deroulement de l'insertion du proton dans les mno#2

Ce travail est destiné au développement de méthodes approchées de chimie quantique capables de traiter des systèmes biologiques de grande taille. En particulier, nous réalisons des simulations de dynamique moléculaire dans l'approximation de Born-Oppenheimer, permettant une description quantique de l'Hamiltonien électronique du système dans son entier : SEBOMD (SemiEmpirical Born-Oppenheimer Molecular Dynamics). Notre approche se base sur un Hamiltonien électronique semiempirique (SE). L'une des principales difficultés rencontrées lors d'une simulation SEBOMD de la phase condensée est représentée par le choix de la méthode SE. La plupart des méthodes courantes ne permettant pas une bonne description de certaines interactions fondamentales, nous avons développé une nouvelle approche. Cette méthode, dénommée PM3-PIF3, a été appliquée à l'étude par dynamique moléculaire de molécules organiques dans l'eau. Les résultats obtenus montrent que notre méthode est appropriée pour le traitement de molécules comportant des groupements hydrophobes et/ou hydrophiles en milieu aqueux. L'analyse des propriétés électroniques et vibrationnelles de ces molécules en présence du solvant valide également nos résultats vis-À-Vis d'autres études expérimentales et théoriques présentes dans la littérature. Finalement, nous nous sommes intéressés au processus d'autoprotolyse de l'eau en milieux confinés. Après avoir discuté du choix de l'Hamiltonien SE à utiliser pour cette étude, nous avons caractérisé le transfert de proton dans un agrégat d'eau. Nous avons établi une corrélation entre l'énergie libre associée à la première étape de ce transfert et certaines propriétés physiques collectives<br>The present work is devoted to the development of approximate quantum chemistry methods that are suitable to treat biological systems of large size. In particular, we run molecular dynamics under the Born-Oppenheimer approximation, allowing a quantum mechanical description of the electronic Hamiltonian of the full system: SEBOMD (SemiEmpirical Born-Oppenheimer Molecular Dynamics). Our method is based on a semiempirical (SE) electronic Hamiltonian. One of the key issues arising in a condensed phase SEBOMD simulation is represented by the choice of the SE method. Since most of the currently available approaches fail in describing some relevant intermolecular interactions, we developed a new correction of SE Hamiltonians. This method, which we named PM3-PIF3, was applied to study the molecular dynamics of organic molecules in water. The results that we obtained showed that our technique is suitable to treat molecules having hydrophobic and/or hydrophilic groups in an aqueous medium. The analysis of the electronic and vibrational properties of these molecules in the presence of the solvent validates our results with respect to experimental and theoretical studies in the literature. Finally, we investigated the water self-Dissociation process in confined environments. After discussing the choice of the SE Hamiltonian to be used for this purpose, we characterized the proton transfer in a water cluster. We established a correlation between the free energy of the first step of this process and some collective physical properties

Cette thèse s'intéresse à la photo-dynamique du photochromisme du salicylidène aniline (SA) en solution afin d'en proposer un mécanisme général. Le photochromisme du SA faisant intervenir un transfert de proton intramoléculaire ultra-rapide, l'étude expérimentale a été principalement conduite par spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde à différentes longueurs d'onde d'excitation. L'observation de processus photo-induits ultra-rapides par les techniques de spectroscopie de type pompe-sonde requiert la mesure et la prise en compte de la fonction de réponse instrumentale. En effet, des effets physiques peuvent affecter la structure des données spectrocinétiques, voire provoquer certaines distorsions, et la convolution limite la résolution temporelle des acquisitions. La première étape de ce travail a donc été d'adapter des méthodes chimiométriques de résolution des données multivariées à cette spécificité. L'approche proposée a consisté à implémenter une contrainte cinétique adaptée dans une résolution multivariée de courbes par moindres carrés alternés (MCR-ALS). Les développements méthodologiques ont été validés sur des données simulées avant d'être appliqués à l'étude spectroscopique du SA. Les principaux résultats obtenus concernent 1) le transfert de proton intramoléculaire, qui a été estimé à 60 fs, 2) la compétition avec un mécanisme de rotation qui a pu être caractérisé, 3) la dépendance des rendements quantiques avec la longueur d'onde d'excitation. Cette thèse propose ainsi une caractérisation complète des processus photo-induits pour le SA, c'est-à-dire les vitesses de réaction et les spectres de toutes les espèces transitoires.

La spectroscopie de dissociation par absorption de photons infrarouges (IRPD) permet d’obtenir les signatures vibrationnelles d’espèces chargées en phase gazeuse, telles que de petits peptides ou des ions hydratés dans des agrégats d’eau. L’attribution des modes de vibration pour établir une relation entre le spectre expérimental et une structure moléculaire est une tâche délicate et nécessite le recours à la modélisation moléculaire.Ce manuscrit présente un ensemble d’outils théoriques pour le calcul et l’attribution de spectres vibrationnels, basée principalement sur la dynamique moléculaire classique et le champ de forces polarisable AMOEBA, ainsi que son application à des ions gazeux de tailles diverses. Les ions hydratés dans des agrégats d’eau M(H2O)n (n allant de 6 à 100) sont caractérisés par une dynamique importante, et leur spectre expérimental ne peut pas être décrit par une seule structure. La signature des peptides évolue avec la température et les effets d’anharmonicité dynamique. Ils peuvent également être le siège de mécanismes de transfert de proton, présentant une signature vibrationnelle très caractéristique.La surface d’énergie potentielle de ces systèmes est explorée par la dynamique moléculaire classique en trajectoires individuelles ou avec échange de répliques, afin d’engendrer des structures énergétiquement stables. Pour les plus petits systèmes, les méthodes quantiques DFT et post-HF sont utilisées pour confirmer les structures de plus basse énergie, calculer leurs spectres IR statiques et proposer des attributions des modes de vibration. Pour les plus systèmes de plus grandes tailles, c’est-à-dire les ions dans des gouttes d’eau de plusieurs dizaines de molécules, la simulation des spectres IR à température finie est basée sur la transformée de Fourier de la fonction d’autocorrélation du moment dipolaire (DACF), calculée pour une trajectoire de dynamique moléculaire classique. Cette méthode n’offrant pas d’accès direct aux modes normaux de vibration, nous avons implémenté une méthode d’attribution dynamique, basée sur la Driven Molecular Dynamics (DMD) et couplée au DACF. La combinaison AMOEBA/DACF/DMD a été utilisée pour reproduire et attribuer le spectre du dipeptide Ace-Phe-Ala-NH2, et ceux d’ions hydratés dans des agrégats d’eau.Enfin, la signature vibrationnelle d’un transfert de proton ne peut être décrite, ni par des méthodes statiques quantiques, ni par la dynamique classique. Sa modélisation a nécessité le développement d’un modèle Empirical Valence Bond (EVB) à deux états, couplé au champ de forces polarisable AMOEBA. Le modèle EVB a été implémenté dans la suite logicielle Tinker. Il permet de reproduire le comportement dynamique du transfert de proton au sein de petits peptides et de diacides déprotonés, ainsi que la signature spectroscopique observée expérimentalement.Une partie importante des applications de ces développements concerne des ions simples hydratés dans des nano-gouttelettes, et en particulier l’ion sulfate de grande importance environnementale. Nous avons pu reproduire de façon satisfaisante, pour la première fois, les spectres d’agrégats contenant jusqu’à 100 molécules d’eau. Le principal contributeur à cette spectroscopie expérimentale est l’équipe d’E. Williams à l’université de Californie à Berkeley. Nous avons établi avec eux une collaboration pour compléter ce travail en modélisant les spectres IR d’ions sulfates hydratés [SO4(H2O)n=9-36]2-, dont ils ont obtenu les signatures expérimentales<br>Spectroscopy dissociation by absorption of infrared photons (IRPD) provides vibrational signatures of charged species in the gas phase, such as small peptides or hydrated ions in water clusters. The vibrational normal modes assignment to establish a relationship between the experimental spectrum and molecular structure is a delicate task and requires the use of molecular modeling.This manuscript presents a set of theoretical tools for calculation and assignment of vibrational spectra, based mainly on classical molecular dynamics and polarizable AMOEBA force field, and its application to gaseous ions of various sizes. Hydrated ions in water clusters M(H2O)n (n in 6-100 range) are characterized by a dynamic behavior, and their experimental spectrum can not be described by a single structure. The signature of peptides changes with temperature and dynamic anharmonicity effects. They can also be the site of proton transfer mechanisms, with a very characteristic vibrational signature.The potential energy surface of these systems is explored by classical molecular dynamics in individual trajectories or replica exchange to generate energetically stable structures. For smaller systems, quantum methods, as DFT and post-HF, are used to confirm the lowest energy structures, calculate their static IR and propose normal modes assignments. For larger systems, i.e ions in water drops of several tens of molecules, the simulation of IR spectra at finite temperature is based on the Fourier transform of the autocorrelation function of the dipole moment (DACF), calculated during a classical molecular dynamics trajectory. As this method does not allow direct access to the vibrational normal modes, we implemented a method of dynamic assigments, based on the Driven Molecular Dynamics (DMD) and coupled to the DACF. The combination AMOEBA /DACF / DMD was used to reproduce and assign the spectrum of the dipeptide Ace-Phe-Ala-NH2, and those of hydrated ions in water clusters.Finally, the vibrational signature of a proton transfer can not be described by quantum static methods or by classical dynamics. Its modeling required the development of a two states Empirical Valence Bond Model (EVB), coupled with AMOEBA polarizable force field. The two states EVB model was implemented in the software TINKER. It can reproduce the dynamic behavior of proton transfer in small peptides and deprotonated acids, as well as the spectroscopic signatures observed experimentally.An important part of the applications of these developments relates simple hydrated ions in nano-droplets, and in particular the sulfate ion of great environmental importance. We were able to reproduce satisfactorily, for the first time, the spectra of clusters containing up to 100 water molecules. The main contributor to this experimental spectroscopy is the team of E. Williams from the University of California of Berkeley. We have established cooperation with them to complete this work by modeling the IR spectra of hydrated sulfates ions [SO4(H2O) n=9-36]2-, for which they obtained experimental signatures

Pour caractériser la mobilité moléculaire au sein de structures complexes, la relaxométrie RMN consiste à déterminer les temps de relaxation dans une gamme de fréquence aussi large que possible et notamment à très basse fréquence où se manifestent les mouvements lents. L'évolution de la vitesse de relaxation longitudinale R1 (qui correspond à l'inverse du temps de relaxation longitudinale T1) en fonction de la fréquence de mesure conduit à ce que l'on appelle une courbe de dispersion. Les travaux présentés dans cette thèse sont entièrement dédiés à cette technique que nous avons décidé d'appliquer à l'étude de fluides introduits à l'intérieur de milieux poreux et ceci constitue une première au laboratoire. Les systèmes ayant servi de support à cette étude sont de nature très différente puisqu'ils concernent 1) des matériaux mésoporeux silicatés qui ont été hydratés dans le but d'étudier le comportement des molécules d'eau introduites à l'intérieur du matériau et 2) des organogels formés dans le toluène pour lesquels nous avons mené une étude du comportement dynamique du solvant à l'issue du processus de gélification. Pour caractériser au mieux la dynamique des fluides à l'intérieur de ces systèmes, des méthodes expérimentales originales, nécessitant l'utilisation de plusieurs instruments, ont été développées, permettant ainsi d'obtenir des courbes de dispersion allant de 0 à 400 MHz. Grâce à des développements méthodologiques et théoriques, nous avons été capables d'identifier les différents mécanismes de relaxation à l'origine de ces courbes de dispersion et de donner une signification physique aux paramètres issus de cette interprétation<br>In order to characterize molecular mobility within complex structures, NMR relaxometry aims at the determination of relaxation times in a frequency range as large as possible and in particular at very low frequencies where slow motions can be revealed. The evolution of the longitudinal relaxation rate R1 (which corresponds to the inverse of the longitudinal relaxation time T1) as a function of the measurement frequency leads to so-called dispersion curves. The work presented in this thesis is, for the first time in this laboratory, entirely dedicated to this technique, applied to the study of fluids within porous media. The systems investigated are very different; they include 1) hydrated mesoporous materials for which different states of water molecules were distinguished and 2) organogels formed in toluene, the dynamical behavior of which being studied subsequently to the gelation process. Original experimental methods, involving the use of several instruments, were developed, allowing us to obtain dispersion curves between 0 and 400 MHz. Thanks to methodological and theoretical developments, we were able to identify the different relaxation mechanisms and able to give a physical meaning to the parameters resulting from the fitting of dispersion curves

L'AGS fournit un faisceau de proton polarisé à RHIC. Le faisceau est accéléré dans l'AGS de Gγ = 4.5 à Gγ = 45.5 et la transmission de la polarisation est critique pour le programme de spin de RHIC. Au cours des dernières années, divers systèmes ont été mis en œuvre pour améliorer la transmission de la polarisation dans l'AGS. Ces améliorations consistent essentiellement en l'introduction de deux serpents Siberien partiels et du system de saut de nombre d'onde. Cependant, la transmission de la polarisation n'atteint pas encore 100 % durant le cycle d'accélération de l'AGS. L'efficacité actelle de la transmission de la polarisation est estimée à environ 85 % dans les conditions de fonctionnement typiques. Comprendre les sources de dépolarisation dans l'AGS est essentiel pour améliorer les performances en protons polarisés de la machine. La dynamique complexe de faisceau et de spin, notamment en présence des aimaint spécialisés appelé serpent Sibériens, justifient le fort intérÃa t pour des méthodes de simulation originales. Le code Zgoubi, capable de résoudre l'équation du mouvement et de l'évolution du spin directement à partir d'une carte de champs, est utilisé pour modéliser l'AGS. Un modèle de l'AGS utilisant le code Zgoubi a pout cette reaison été développé et interfacé avec le système actuel par une simple commande: l'AgsFromSnapRampCmd. L'interfa ̧age avec le système de contrôle de la machine permet la modélisation rapide en utilisant les paramètres de réels la machine. Ces développements ont permis de reproduire fidèlement l'optique de l'AGS le long du cycle d'accéleration. Des développements supplémentaires sur le code Zgoubi, ainsi que sur des outils de post-traitement et de pré-traitement, ont fourni au code la possibilité de suivre les faisceaux sur de nombreux tours, ce qui s'avère être fondamental pour une représentation realiste du cycle d'accélération complet de la machine. Des simulations de faisceaux sur de nombreux tours dans l'AGS, en utilisant des conditions réalistes de faisceau et de machine, ont fourni une unique vision des les mécanismes sous-jacents de l'évolution de l'émittance et de la polarisation du faisceau au cours du cycle d'accélération. Des programmes de post-traitement ont été développés pour permettre la représentation des quantités pertinentes des données simulées par Zgoubi.Les simulations se sont avérées particulièrement utiles pour mieux comprendre les pertes de polarisation à travers résonances horizontales intrinsèques de spin. Le modèle Zgoubi ainsi que les outils développés ont également été utilisées pour certaines applications directes. Par exemple, les simulations d'expériences de faisceau ont permis l'estimation précise des gains de polarisation attendus en fonction des changements apportés. En particulier, des simulations d'expériences impliquant le système de saut des nombres d'onde ont fournis des estimations précises de la polarisation gagné et permis le choix des conditions optimales de la machine<br>The AGS provides a polarized proton beam to RHIC. The beam is accelerated in the AGS from Gγ = 4.5 to Gγ = 45.5 and the polarization transmission is critical to the RHIC spin program. In the recent years, various systems were implemented to improve the AGS polarization transmission. These upgrades include the double partial snakes configuration and the tune jumps system. However, 100 % polarization transmission through the AGS acceleration cycle is not yet reached. The current efficiency of the polarization transmission is estimated to be around 85 % in typical running conditions. Understanding the sources of depolarization in the AGS is critical to improve the AGS polarized proton performances. The complexity of beam and spin dynamics, which is in part due to the specialized Siberian snake magnets, drove a strong interest for original methods of simulations. For that, the Zgoubi code, capable of direct particle and spin tracking through field maps, was here used to model the AGS. A model of the AGS using the Zgoubi code was developed and interfaced with the current system through a simple command: the AgsFromSnapRampCmd. Interfacing with the machine control system allows for fast modelization using actual machine parameters. Those developments allowed the model to realistically reproduce the optics of the AGS along the acceleration ramp. Additional developments on the Zgoubi code, as well as on post-processing and pre-processing tools, granted long term multiturn beam tracking capabilities: the tracking of realistic beams along the complete AGS acceleration cycle. Beam multiturn tracking simulations in the AGS, using realistic beam and machine parameters, provided a unique insight into the mechanisms behind the evolution of the beam emittance and polarization during the acceleration cycle. Post-processing softwares were developed to allow the representation of the relevant quantities from the Zgoubi simulations data. The Zgoubi simulations proved particularly useful to better understand the polarization losses through horizontal intrinsic spin resonances The Zgoubi model as well as the tools developed were also used for some direct applications. For instance, some beam experiment simulations allowed an accurate estimation of the expected polarization gains from machine changes. In particular, the simulations that involved involved the tune jumps system provided an accurate estimation of polarization gains and the optimum settings that would improve the performance of the AGS

De nos jours, il n'existe encore aucune théorie capable de proposer une description précise et quantitative du transfert de proton en solution. En effet, ce problème est complexe du fait de la grande diversité des interactions existant dans l'eau liquide, à savoir: des interactions non liantes de type Van der Waals, des liaisons faiblement covalentes et des liaisons hydrogènes remarquablement fortes. Ces dernières sont d'ailleurs à l'origine des nombreuses propriétés fascinantes de l'eau à l'échelle macroscopique. À cela s'ajoutent les effets quantiques nucléaires dus à la faible masse de l'hydrogène, qui modifient profondément la nature de la surface d'énergie potentielle décrivant le transfert de proton le long de sa coordonnée de réaction. Nous proposons dans cette thèse une approche tout quantique basée sur une description quasi exacte de la fonction d'onde du système par l'utilisation de méthodes stochastiques de type Monte Carlo Quantique. Cette technique, combinée avec le formalisme des équations de Langevin et des intégrales de chemin de Feynman, permet de simuler à un niveau de précision inédit, n'importe quel système chimique en phase gaz ou en solution. Nous appliquons cette méthodologie à des agrégats d'eau neutres ou protonés pour apporter de nouveaux éclaircissements sur les phénomènes microscopiques régissant la diffusion du proton hydraté dans de tels systèmes. Il est mis en évidence que la mobilité du proton est optimale pour des températures proches des conditions ambiantes, du fait de la compétition subtile entre les effets thermiques et quantiques nucléaires<br>There is no theory up to now able to provide an accurate and quantitative description of the proton transfer (PT) yet. Indeed, the complexity of the problem stems from the large diversity of the existing interactions in liquid water, namely: non bonding Van der Waals interactions, weakly covalent bonds and remarkably strong H-bonds. The latter ones are at the origin of the numerous fascinating properties of water at the macroscopic scale. In addition to such interactions, the nuclear quantum effects arising from the hydrogen light mass deeply modify the potential energy surface, and must be taken into account. In this thesis, we propose a fully quantum approach based on an almost exact description of the electronic wave function by means of Quantum Monte Carlo (QMC) methods. Our novel technique combines QMC with a Langevin-based Molecular Dynamics and the Feynman's path integral formalism. This allows one to perform fully quantum simulations of systems in gas or condensed phase, at an unprecedented level of accuracy,. We apply our approach to neutral or charged protonated water clusters to shed light on the microscopic phenomena driving the proton diffusion in such systems. We discovered that the proton hopping is optimal for temperatures close to ambient conditions, due to the subtle competition between thermal and nuclear quantum effects. This is highly suggestive of the importance of quantum nuclear effects to make PT processes - relevant for life - most efficient at room temperature

Les conditions de regenerabilite des bioxydes de manganese lamellaires, provenant de la decomposition du permanganate de potassium en milieu acide, ont ete determinees. Ces materiaux presentent une regenerabilite voisine des bioxydes de type gamma de structure dite tunnel. Une suroxydation menagee du materiau au cours de la recharge permet d'augmenter le potentiel d'electrode au cours de la decharge sur environ 0. 2 electron par atome de manganese et accroit egalement la tenue en cyclage. Une amelioration supplementaire de celle-ci peut etre obtenue en introduisant dans le reseau cristallin des ions etrangers, par exemple des ions calcium, qui stabilisent le reseau et empeche la formation de haussmanite, espece peu oxydable. Dans ces conditions, la regenerabilite peut atteindre plus de 100 cycles. Les etudes par diffusion inelastique des neutrons ont permis d'identifier plusieurs types de sites d'accueil du proton dans les bioxydes de type gamma qu'ils soient d'origine chimique ou electrochimique. Les sites voisins des lacunes cationiques sont les plus actifs, les sites les plus eloignes, les moins actifs. Les sites situes a des distances intermediaires de ces lacunes ou voisins a tous autres defauts ou accidents de structure presentent des activites electrochimiques intermediaires

Les piles a combustible a membrane echangeuse de protons (pemfc) sont depuis quelques annees a l'origine de nombreuses realisations de vehicules de demonstration. Pour eviter la multiplication des prototypes, la simulation est de plus en plus utilisee pour evaluer les performances de diverses solutions techniques envisageables. Un modele dynamique de pile a combustible a ete realise a l'aide du logiciel matlab/simulink. Il s'integre a un modele de groupe electrogene complet (pile + auxiliaires). La pile modelisee est concue et fabriquee par l'entreprise italienne nuvera fuel cells europe. Sa particularite est l'utilisation d'un poreux pour l'alimentation en gaz des electrodes au lieu des canaux utilises classiquement. Le refroidissement et l'humidification sont assures simultanement par injection d'eau liquide directement en entree de cellule electrochimique. Le modele traite les bilans de masse et d'energie mecanique, thermique et electrique dans les fluides et la structure en regime transitoire. Il permet une discretisation de la cellule elementaire le long de l'ecoulement des gaz. Dans chaque troncon le calcul permet de suivre au cours du temps l'evolution des concentrations, des temperatures, des fractions d'eau liquide, des densites de courant pour rendre ce modele le plus predictif possible, des lois physiques decrivant les phenomenes sont preferees a des relations purement mathematiques. Des essais ont ete effectues sur une pile de 5kw grace a un banc d'essais specifique. Ils ont permis de valider le modele de pile, par calage de chacun des modeles elementaires correspondant aux phenomenes modelises (hydraulique, thermique). Ces travaux ont montre les problemes causes par le concept de cette pile a humidification

La structure et la dynamique moleculaire des copolymeres de difluoroethylene et trifluoroethylene sont etudiees en resonance du proton et du fluor par l'analyse du signal de precision libre, la relaxation spin-reseau dans le repere du laboratoire et a plusieurs angles du champ applique dans le referentiel tournant et par l'effet overhauser transitoire. Les resultats montrent l'existence d'une segregation de phases. Interpretation de la relaxation spin-reseau dans la phase ferroelectrique. Dans la phase paraelectrique, on demontre que la dependance en l'inverse de la racine de la frequence de la densite spectrale du mouvement cristallin et du mode rapide dans la phase amorphe ne provient pas de diffusion de "kinks" le long des chaines

Les accélérateurs de particules sont aujourd’hui un des moyens les plus efficaces pour sonder la matière et les éléments qui la composent.La collaboration JEDI propose de mesurer la valeur du moment électrique dipolaire (EDM) du proton (voire deuton) avec une précision plusieurs ordre de grandeur supérieure au limites actuelles, par le moyen d’un anneau de stockage.La mesure d’un moment électrique dipolaire permanent permettrait l’ajout de sources de violation de CP supplémentaires. La violation de la symétrie CP est une des trois conditions nécessaires à l’explication de l’asymétrie matière/antimatière de l’Univers.En vue de parvenir à une telle précision, les particules doivent être stockées pendant une longue durée dans des champs électriques et/ou magnétiques : dans le cas de particules chargées, un anneau de stockage se présente comme une excellente solution.Un des principaux défis consiste à conserver la polarisation en spin du faisceau pendant toute la durée de l’expérience. Un excellent contrôle des systématiques et de la dynamique de spin sont alors obligatoires.Les déflecteurs électrostatiques utilisés dans l’expérience à la fois pour guider les particules et pour entraîner la précession du spin liée à la présence d’EDM, sont source d’erreurs systématiques et de décohérence de spin. La partie interne des déflecteurs, et aussi leurs champs de fuite doivent être compris et maîtrisés, en termes de trajectoires et de dynamique de spin. Ma thèse fournit un modèle pour le calcul de champ, trajectoires et dynamique de spin dans un déflecteur électrostatique.La première partie est dédiée au contexte autour de la mesure d’EDM, et se précisera sur le cas particulier de la mesure proposée par JEDI. L’équation de précession du spin sera présentée ainsi que les objectifs de la thèse.La seconde partie décrit en détails tous les outils analytiques ou semi-analytiques qui ont été développés pour répondre à nos besoins spécifiques. Ces outils seront ensuite utilisés dans la partie suivante.La troisième partie concerne les résultats et l’élaboration du modèle de champs, de trajectoire et de spin. Le modèle de champ, établi part transformation conformes, est un modèle universel dépendant uniquement du ration gap/rayon du déflecteur.Il prend en compte les conditions aux limites telles qu’une chambre à vide ou un diaphragme.Le résolution des équations du mouvement se fait à partir des équations d’Hamilton, au second order, par une méthode perturbative et en utilisant la méthode de la variation des constantes.La dynamique de spin, quant à elle, est obtenue par la résolution de l’équation Thomas-BMT par une méthode perturbative. Les fonctions de transfert obtenues dépendent des coordonnées de l’espace des phases à l’entrée du déflecteur. Elles sont totalement analytiques dans le cas de la partie centrale du déflecteur, et semi-analytiques pour les champs de fuites, où elles font intervenir une liste d’intégrales particulières, calculées avant la simulation.La dernière partie concerne l’analyse et le test du modèle à l’aide d’un code de calcul appelé BMAD<br>Particle accelerators are one of the most efficient ways to study matter andelementary particles, as proved by the recent discovery of the Higgs Bosonon the Large Hadron Collider.The JEDI collaboration propose to measurethe value of the proton electric dipole moment (EDM) with a precision of〖10〗^(-29) e.cm using a storage ring.A measurement of such a value of EDM, above the extremely small predictionof Standard Model would lead to new physics, by adding an additionalsource of CP violation. The CP violation is one of the three conditionsnecessary to explain the un-understanded asymetry between matter andantimatter in the universe.In order to achieve this 〖10〗^(-29)e.cm precision, one need to store the measuredparticles for many seconds in an electric field : a storage ring appearsas an ideal solution for charged particles. One of the main issues consistsin keeping the beam spin-coherent during the whole duration of the measurement.An excellent control of systematics and understanding of thespin dynamics to perform this measurement are mandatory.The electrostatic deflectors used in the experiment to provide both bendingand EDM-induced spin precession could lead to systematic errors andspin decoherence. The internal part of the deflectors and especially theirfringe fields need to be understand, in terms of trajectories and spin dynamics.This thesis provide models for fields, trajectories, spin dynamics and alsoresults about the spin decoherence induced by the deflectors.The first part is dedicated to the context around EDM measurements,and will then focus on the storage ring method. Also a first approach tothe spin precession equation and spin coherence time will be done, and theproblematic about the electrostatic deflectors exposed.The second part describes in details the analytic or semi-analytic modelswe developed. The first model describes the electric fringe field of thedeflector, using conformal mapping.This model takes into account boundary conditions like the vacuum chamberor a diaphragm and propose universal formulas as a function of theratio between gap and radius. The second model concerns trajectories inthe deflector and the fringe fields.It is using an Hamiltonian integration, variation of parameters and quadratureformulas to integrate the previously found field. This is done at thesecond order.The last model is about spin dynamics and allows the user to compute thespin total precession in the deflector or the fringe fields by using a list ofintegrals of the field. The final spin transfer solution is a function of theinitial conditions (x,px,y,py,dz,_P/P) at the second order.The last part shows the implementation on BMAD and the differenteffects of deflectors/fringe fields on the spin coherence time

De nos jours, il n'existe encore aucune théorie capable de proposer une description précise et quantitative du transfert de proton en solution. En effet, ce problème est complexe du fait de la grande diversité des interactions existant dans l'eau liquide, à savoir: des interactions non liantes de type Van der Waals, des liaisons faiblement covalentes et des liaisons hydrogènes remarquablement fortes. Ces dernières sont d'ailleurs à l'origine des nombreuses propriétés fascinantes de l'eau à l'échelle macroscopique. À cela s'ajoutent les effets quantiques nucléaires dus à la faible masse de l'hydrogène, qui modifient profondément la nature de la surface d'énergie potentielle décrivant le transfert de proton le long de sa coordonnée de réaction. Nous proposons dans cette thèse une approche tout quantique basée sur une description quasi exacte de la fonction d'onde du système par l'utilisation de méthodes stochastiques de type Monte Carlo Quantique. Cette technique, combinée avec le formalisme des équations de Langevin et des intégrales de chemin de Feynman, permet de simuler à un niveau de précision inédit, n'importe quel système chimique en phase gaz ou en solution. Nous appliquons cette méthodologie à des agrégats d'eau neutres ou protonés pour apporter de nouveaux éclaircissements sur les phénomènes microscopiques régissant la diffusion du proton hydraté dans de tels systèmes. Il est mis en évidence que la mobilité du proton est optimale pour des températures proches des conditions ambiantes, du fait de la compétition subtile entre les effets thermiques et quantiques nucléaires<br>There is no theory up to now able to provide an accurate and quantitative description of the proton transfer (PT) yet. Indeed, the complexity of the problem stems from the large diversity of the existing interactions in liquid water, namely: non bonding Van der Waals interactions, weakly covalent bonds and remarkably strong H-bonds. The latter ones are at the origin of the numerous fascinating properties of water at the macroscopic scale. In addition to such interactions, the nuclear quantum effects arising from the hydrogen light mass deeply modify the potential energy surface, and must be taken into account. In this thesis, we propose a fully quantum approach based on an almost exact description of the electronic wave function by means of Quantum Monte Carlo (QMC) methods. Our novel technique combines QMC with a Langevin-based Molecular Dynamics and the Feynman's path integral formalism. This allows one to perform fully quantum simulations of systems in gas or condensed phase, at an unprecedented level of accuracy,. We apply our approach to neutral or charged protonated water clusters to shed light on the microscopic phenomena driving the proton diffusion in such systems. We discovered that the proton hopping is optimal for temperatures close to ambient conditions, due to the subtle competition between thermal and nuclear quantum effects. This is highly suggestive of the importance of quantum nuclear effects to make PT processes - relevant for life - most efficient at room temperature

Les performances des piles à combustible à échange de protons (PEMFC) sont fortement influencées par la conductivité protonique de l'électrolyte solide. Les polymères à base d'azole sont parmi les matériaux les plus prometteurs pour améliorer l'efficacité de ces systèmes. Une étude théorique de réaction du transfert de protons (PT) en dimères protonée du imidazole, 1,2,3-triazole et tétrazole a été effectuée. Le protocole DFT mis au point a été appliqué sur des systèmes plus complexes. Les résultats obtenus à partir de l'étude réalisée sur le poly(4-vinyl-imidazole) (P4VI) suggèrent que le mécanisme de conduction communément admis (Grotthuss) pourrait être entravé dans ce système en raison de l'effet de la matrice polymérique. Cette étude, réalisée par le biais d'une approche combinée théorie du fonctionnelle de la densité (DFT) / simulations de Dynamique Moléculaire (MD), a permis de proposer un mécanisme alternatif de conduction. Une étude supplémentaire réalisée sur des modèles avec du acide phosphorique (H3PO4) a révélé que faibles concentrations de H3PO4 pourrait permettre le mécanisme de Grotthuss malgré la matrice polymérique. Le rôle crucial joué par la matrice polymérique sur la conductivité a été ensuite confirmée par l'étude menée sur un second polymère : la position d'attache du imidazole peut fortement affecter le mécanisme de conduction. En bref, les simulations obtenus montrent comment la matrice polymérique jouent un rôle crucial dans le mécanisme de la conductivité. La présente recherche représente une première tentative pour une étude plus systématique de la relation entre la connectivité de la matrice polymère et l'efficacité du transport de charge

Les membranes fluorées sont utilisées en particulier dans les dénommées piles à combustible à membrane électrolyte polymère. Grâce à sa grande mobilité en protons, le célèbre ionomer Nafion® (Dupont) est un matériau de référence pour les applications liées aux piles à combustible. En présence d’eau ou d’autres solvants hydrophiles la membrane se sépare en une matrice polymérique hydrophobe et une sous-phase aqueuse contenant des clusters d’eau et ions, dont les tailles et la connectivité augmente quand la quantité d’eau augmente [1]. Quelle est la morphologie du Nafion et la structure du solvant, dans de tels systèmes?Il a été récemment montré [2] sur des simulations de large systèmes que plusieurs modèles morphologiques reproduisent les données expérimentales de diffusion, évoquant l’incapacité des mesures de diffusion seules à élucider la véritable structure du Nafion.Néanmoins, un modèle ’aléatoire’ décrit dans [2], c’est à dire l’unique modèle étudié sans présumer d’une structure initiale particulière, n’a pas pu reproduire les données expérimentales.Générer en simulations moléculaires des configurations du système qui soient vraiment décorrélées de la configuration initiale reste un vrai défi statistique. Les échelles de temps réalisables ne permettent simplement pas d’obtenir des mouvements significatifs du polymère (comme des transitions de conformations, repliements de chaînes, etc.). Nous proposons ainsi dans cette étude un nouveau modèle de Nafion à morphologie aléatoire. Un algorithme récemment développé est utilisée pour générer des chaînes de Nafion avec des chemins et des points de départ aléatoires. Une différence majeure avec le modèle aléatoire dans [2] est que nous ne construisons pas nos systèmes à une densité proche de la densité finale. Pour ne pas démarrer avec des chaînes trop enchevêtrées, les systèmes sont initialement préparés à une densité en dessous de la référence expérimentale. La densité après équilibration est de nouveau proche de l’expérience. Bien qu’il soit facilement envisageable d’améliorer les nouveaux algorithmes, nous démontrons ici qu’avec la présente version plusieurs séries de configurations compatibles avec les données expérimentales de diffusion disponibles peuvent être générées et équilibrées. Douze large systèmes de Nafion à morphologie aléatoire sont construits avec des positions initiales des atomes ainsi que des quantités d’eau et des longueurs de chaînes (Nafion/Hyflon) différentes. Ils sont équilibrés puis simulés sur plusieurs dizaines de nanosecondes. Après équilibration, les structures sont, comme indiqué ci-dessus,compatibles avec les données expérimentales de diffusion. En plus nous étudions un modèle ressemblant à celui de Schmidt-Rohr and Chen [3], c’est à-dire le plus récent modèle morphologique. Avec ce modèle, les données expérimentales sont également reproduites de manière satisfaisante, d’où la prolongation du débat sur la structure du Nafion. La cohésion entre les valeurs calculées et celles mesurées expérimentalement incite à des analyses plus en détails de ces configurations obtenues. Nous caractérisons et analysons les structures locales, intermédiaires et à grande échelle avec divers paramètres structuraux et distributions des tailles de domaines. Nous calculons donc, par exemple, des fonctions de distribution radiale (rdf), des facteurs de structure (S(q)) totaux et partiels tout comme des nombres et des tailles de clusters hydrophiles (selon la définition d’un cluster). La dynamique de diverses espèces dans le système est également examinée,par exemple au travers des déplacements carrés moyens (msd) et des coefficients de diffusion. Ces simulations sont probablement à la limite de ce qui est réalisable aujourd’hui avec des simulations ’full-atom’ du type MD. Nous espérons que ce travail fera avancer le débat sur la structure et la dynamique de ces matériaux importants<br>Perfluorinated membranes are used in particular in polymer electrolyte fuel cells(PEFC). The well-known ionomer Nafion® (Dupont) is, due to its high proton mobility,a reference material for fuel cell applications. In water or other hydrophilic solvents themembrane segregates into a hydrophobic backbone matrix and a hydrophilic sub-phasecontaining clusters of both water and ions, where the cluster sizes and connectivity increasewith increasing water content [1].What is the Nafion morphology and the structure of the solvent in such systems? It hasbeen shown recently [2] on large simulated systems that several morphological modelsfit the experimental scattering data, suggesting the inability of scattering experimentsalone to elucidate the true structure of Nafion. However, a ’random’ model describedin [2], i.e. the only explored model that did not assume a particular initial structure,could not reproduce the experimental data.It remains a real computational challenge to generate in molecular simulations systemconfigurations which are really decorrelated from the initial one. The time scales thatcan be achieved simply do not allow to obtain significant motions of the polymer (e.g.conformational changes, folding, etc.). We thus propose in this work a new randommodel of Nafion. A newly developped algorithm is used to generate Nafion chains withrandom growth paths and random starting points. A significant difference with therandom model in [2] is that we do not build our systems at a density close to the finalone. In order not to start with too much entangled chains, the systems are initiallybuilt at a density below the experimental one. The density after equilibration is againclose to the experimental one.Even though further improvements of the new algorithms can easily be envisaged,we demonstrate here that with the present version several sets of configurations thatare compatible with the available scattering data can be generated and equilibrated.Twelve large random Nafion systems are built with different initial positions of theatoms as well as different water contents and side chain lengths (Nafion/Hyflon). Theyare equilibrated and then simulated for several ten nanoseconds. After equilibration,the structures are, as mentioned, compatible with the experimental scattering data. Inaddition we study a model similar to the one by Schmidt-Rohr and Chen [3], i.e. thenewest morphological model of Nafion. The experimental scattering data are also satisfactorilyreproduced with this model, hence, the prolonged debate over the structureof Nafion.This agreement gives confidence that a more detailed analysis of the so-obtained configurationsis scientifically warranted. We characterize and analyze the local, intermediateand large-scale structures by various structural parameters and domain size distributions.We therefore compute, for example, radial distribution functions (rdf), total andpartial structure factors (S(q)) as well as numbers and sizes of hydrophilic clusters (dependingon the definition of a cluster). The dynamics of various species in the systemis also investigated, e.g. via the computation of the mean square displacements (msd)and the self-diffusion coefficients. These simulations are probably at the limit of whatcan today be achieved with all-atom molecular simulations of the MD type. We hopethat this work will advance the ongoing debate on the structure and dynamics of theseimportant materials<br>Perfluorierte Membranen werden insbesondere in Polymerelectrolyt-Brennstoffzellen(PEFC) eingesetzt. Das wohlbekannte Ionomer Nafion® (Dupont) ist wegen seinerhohen Protonenbeweglichkeit ein Referenzmaterial für solche Anwendungen in Brennstoffzellen.Die Membran separiert in Wasser oder anderen hydrophilen Lösungsmittelin eine hydrophobe Polymermatrix und eine hydrophile Subphase, die Cluster mitWasser und Ionen enthält. Dabei vergroeßern sich die Ausdehnung der Cluster und ihreKonnektivität mit zunehmendem Wassergehalt [1].Welche ist die Morphologie des Nafions und die Struktur des Lösungsmittels in diesenSystemen? Es ist jüngst anhand großer simulierter Systeme gezeigt worden [2], dassmehrere morphologische Modelle die experimentellen Streudaten wiedergeben können,was nahelegt, dass solche Streudaten alleine nicht geeignet sind, die wahre Strukturdes Nafion aufzudecken. Ein in [2] beschriebenes ’Zufallsmodell’, d.h. das einzigeder untersuchten Modelle, das keine besondere Anfangsstruktur annahm, konnte dieexperimentellen Daten allerdings nicht wiedergeben.In molekularen Computersimulationen Konfigurationen zu erzeugen, die wirklich nichtmehr mit der angenommenen Anfangskonfiguration korreliert sind, bleibt eine echteHerausforderung. Die erreichbaren Zeitskalen sind zu kurz, um eine signifikante Bewegungdes Polymers (z.B Konformationsänderungen, Faltungen, usw.) zuzulassen. Indieser Arbeit wird daher ein neues Zufallsmodell für Nafion vorgestellt. Ein neuentwickelterAlgorithmus erzeugt Nafionketten mit zufälligem Wachstumspfad ausgehendvon zufälligen Anfangspunkten. Ein signifikanter Unterschied zu dem Zufallsmodellvon [2] ist, dass hier nicht versucht wird, die Systeme bei einer Dichte vergleichbarder experimentellen Dichte aufzubauen. Anstattdessen werden die Systeme, um alzustarkes Verknäuelung zu vermeiden, anfangs bei einer deutlich kleineren Dichte erzeugt.Nach äquilibrierung ist die Systemdichte wieder in etwa gleich der experimentellen.Wiewohl weitere Verbesserungen des neu Algorithmuses leicht ins Auge gefaßt werdenkönnen, so kann hier doch gezeigt werden, dass mit der gegenwärtigen VersionKonfigurationen erzeugt und äquilibriert werden können, die mit den verfügbarenStreudaten kompatibel sind. Zwölf große Nafion Zufallssysteme, mit verschiedenenAnfangspositionen der Atome, verschiedenem Wassergehalt und Längen der Seitenketten(Nafion/Hyflon) werden aufgebaut. Diese werden äquilibriert und mehrerezehn Nanosekunden lang simuliert. Nach der äquilibrierung sind die Strukturen, wieerwähnt, kompatibel mit den experimentellen Streudaten. Weiterhin wird ein Modellähnlich dem von Schmidt-Rohr und Chen [3], d.h. dem neuesten morphologischen Modellfür Nafion, studiert. Auch hier werden die experimentellen Streudaten zufriedenstellendwiedergegeben, daher die weiterhin bestehende Debatte über die Struktur desNafion.Die gefundenen übereinstimmungen lassen darauf vertrauen, dass eine detaillierte Analyseder simulierten Konfigurationen wissenschaftlich sinnvoll ist. So wird die Strukturder Systeme auf verschiedenen Längenskalen charakterisiert, zum Beispiel durch radialePaarverteilungsfunktionen (rdf), totale und partielle Strukturfaktoren (S(q)) sowieAnzahl- und Größenverteilungen hydrophiler Cluster (abhängig von der Definition einesClusters). Die Dynamik einzelner Spezies im System wird ebenfalls untersucht, zumBeispiel durch die Berechnung der mittleren quadratischen Verschiebungen (msd) undder Selbstdiffusionskoeffizienten. Diese Simulationen sind wahrscheinlich an der Grenzedessen, was heute mit ’all-atom’ molekularen MD-Simulationen möglich ist. Ich vertrauedarauf, dass diese Arbeit dennoch einen Fortschritt in der aktuellen Debatte überdie Struktur und Dynamik dieser wichtigen Materiale darstellt

A Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a device converting hydrogen into electricity thanks to an electrochemical reaction called reverse electrolysis. Like every fuel cell or battery, PEMFCs are made of a series of layers. We are interested in the gas diffusion layer (GDL) on the cathode side. The GDL is made of carbon fibers treated hydrophobic. It can be seen as a thin porous medium with a mean pore size of few tens of microns. A key question in this system is the management of the water produced by the reaction. In this context, the main objective of the thesis is the development of a numerical tool aiming at simulating the liquid water formation within the GDL. A pore network approach is used. We concentrate on a scenario where liquid water forms in the GDL by condensation. Comparisons between simulations and experiments performed with a two-dimensional microfluidic device are first presented for different wettability conditions, temperature distributions and inlet relative humidity in order to validate the model. A sensitivity study is then performed to better characterize the parameters controlling the water invasion. Finally, simulations are compared with in situ experimental water distributions obtained by X-ray micro-tomography as well as with experimental distributions from the literature obtained by neutron imaging.

Les processus d'oxydo-réduction impliquant des molécules organiques se retrouvent très fréquemment dans les protéines. Ces réactions comprennent généralement des transferts d'électrons et de protons qui se traduisent dans le bilan réactionnel par des transferts couplés proton-électron, des transferts simples d'hydrogène, d'hydrure... Une des principales méthodes pour élucider ces mécanismes est fournie par l'évaluation de grandeurs thermodynamiques et cinétiques. Expérimentalement, ces informations sont cependant obtenues avec une résolution temporelle souvent limitée à la milli/microseconde. Les simulations numériques présentées ici complètent, à des échelles de temps plus courtes (femto, pico, nanosecondes), ces données expérimentales. Il existe de nombreuses méthodes de simulations dédiées à l'étude de mécanismes redox dans les protéines combinant la description quantique des réactifs (QM) nécessaire à l'étude des changements d'états électroniques et la description classique de l'environnement (MM), l'échantillonnage de conformations se faisant grâce à des simulations de dynamique moléculaire (MD). Ces méthodes diffèrent par la qualité de la description du mécanisme réactionnel et le coût en temps de calcul. L'objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes de différents processus impliquant des transferts de protons et d'électrons en recherchant à chaque fois les outils adaptés. Elle comporte trois parties : i) l'évaluation de potentiels redox de cofacteurs quinones ; ii) la description du mécanisme d'oxydation du L-lactate dans l'enzyme flavocytochrome b2 ; iii) la décomposition d'un transfert formel d'hydrure entre deux flavines au sein de la protéine EmoB. Dans le cas du calcul des potentiels redox, nous utilisons une méthode notée QM+MM où la description électronique se fait en phase gaz au niveau DFT tandis que les simulations de MD s'effectuent classiquement. Nous appliquons l'approximation de réponse linéaire (ARL) pour décrire la réponse du système aux étapes de changement d'état de protonation ou d'oxydation de la fonction quinone ce qui aboutit au calcul du potentiel redox théorique. Nous avons ainsi pu établir une courbe de calibration des résultats théoriques en fonction des données expérimentales, confirmant la validité de l'ARL pour les cofacteurs quinones dans l'eau. La méthode a été étendue à la protéine MADH mais les limites de l'ARL ont été atteintes du fait des fluctuations importantes de l'environnement. L'étude de l'oxydation du L-lactate en pyruvate repose sur le calcul de surfaces d'énergie libre au niveau AM1/MM. Ces surfaces sont obtenues à l'aide de simulations de MD biaisées puis corrigées à l'aide de calculs d'énergies DFT. Différents chemins de réactions impliquant les transferts d'un proton et d'un hydrure du substrat vers une histidine et une flavine respectivement ont pu être identifiés. Ces transferts peuvent être séquentiels ou concertés suivant la conformation du site actif ou les mutations effectuées. Les surfaces concordent avec les effets observés expérimentalement. Les barrières obtenues restent cependant supérieures à celles attendues ouvrant la voie à d'autres simulations. La décomposition du mécanisme de transfert d'hydrure en transfert d'électron et d'atome d'hydrogène s'appuie sur de longues simulations classiques et des calculs d'énergies au niveau DFT contrainte (cDFT)/MM. La DFT contrainte permet de décrire les états diabatiques associés au transfert d'électron à différents stades du transfert d'hydrogène. En appliquant l'ARL, nous pouvons construire des paraboles correspondant aux états diabatiques et déterminer la séquence des évènements de transfert d'électron et d'hydrogène. La comparaison entre milieux protéique et aqueux nous a permis d'établir que le rôle de la protéine dans le transfert d'hydrure global est de bloquer le transfert d'électron en l'absence du transfert d'hydrogène empêchant ainsi la formation de flavines semi-réduites.

I - Sections efficaces de production de pions et de kaons<br />lors de collisions proton noyau de l'ordre du GeV<br /><br />L'étude des propriétés des hadrons dans la matière nucléaire est un sujet d'intérêt actuel. Les kaons chargés positivement possèdent un anti-quark étrange qui ne peut pas être réabsorbé et constituent donc une sonde intéressante du milieu nucléaire.<br />La première partie de cette thèse étudie les sections efficaces de production de pions et de kaons lors de collisions proton noyau pour une énergie incidente de l'ordre du GeV.<br />Dans un premier temps, le modèle de Dynamique Quantique Moléculaire utilisé pour simuler les collisions proton noyau est décrit. Puis, les sections efficaces totales des processus élémentaires implémentées dans le modèle sont présentées. Ensuite, les effets de la fonction spectrale du nucléon sur la production de pions et de kaons sont mis en évidence dans les sections efficaces doublement différentielles. Finalement, les conséquences des corrélations observées entre les nucléons du noyau sont discutées.<br /><br />II - Mesures de sections efficaces de production de particules chargées légères<br />lors de réactions induites par protons de 62,9 MeV sur cible de plomb<br /><br />Pour développer des options nouvelles de gestion des déchets nucléaires, des recherches sont menées sur les systèmes hybrides. La seconde partie de cette thèse s'inscrit dans le cadre des mesures de données nucléaires liées à la conception de tels systèmes. Un pouvoir prédictif suffisant des codes théoriques, de 20 à 150 MeV, nécessite de nouvelles mesures de sections efficaces pour les contraindre.<br />L'expérience réalisée a pour but de déterminer les sections efficaces de production de particules chargées légères (p, d, t, 3He, a) lors de réactions induites par protons de 62,9 MeV sur une cible de plomb 208Pb.<br />Le contexte général de cette partie est présenté en premier lieu. Puis, le dispositif expérimental composé de 7 télescopes triple (Si, Si, CsI(Tl)) est décrit. Les chapitres suivants sont consacrés au dépouillement des données (identification des particules, étalonnage des détecteurs) et à l'extraction des sections efficaces. Finalement, une étude comparative de nos résultats expérimentaux à ceux des codes théoriques est menée.

Une des meilleures sources d’énergie verte serait d’être capable de casser une molécule d’eau à partir du rayonnement visible fourni par le soleil, afin de générer du H₂. L’eau présente le don d’ubiquité sur terre puisqu’elle est présente, sous ses trois phases, dans les océans, la terre et l’atmosphère. Cependant, une énergie de 6.66 eV (VUV) est nécessaire pour rompre directement une des liaisons covalentes de l’eau. Dans ce travail, nous montrons qu’il est possible de dissocier l’eau si celle-ci est associée à un catalyseur photosensible de nature organique, dont les prototypes absorbent dans l’UV, comme la Pyridine (Py). Un récent travail théorique prédit que la Py peut jouer le rôle de ce photocatalyseur, suivant la réaction : Py-H₂O + hν₁ → Py*-H₂O → PyH• + OH• Pour tester ce modèle théorique nous avons étudié le complexe Py-eau isolé dans un cluster moléculaire froid. Nous avons caractérisé la spectroscopie électronique du PyH• en phase gazeuse et nous avons mis en évidence cette réaction de photodissociation par irradiation UV de clusters Py-(H₂O)n. Nous avons aussi testé ce système en matrices cryogéniques pour évaluer l’effet de la solvatation solide. La dernière étape du processus, la régénération du photocatalyseur par absorption d’un deuxième photon UV (PyH• + hν → Py + H•) à été aussi prouvé. Il semblerait que seuls les radicaux PyH• chauds soient capables d’engendrer cette dernière réaction. A l’heure actuelle, nous explorons de nouveaux systèmes moléculaires prototypes susceptibles de conduire au même phénomène<br>A major challenge to generate green energy from sunlight would be to split water which is a ubiquitous molecule to produce H₂. However VUV light (6.66 eV) is needed to dissociate the H-OH covalent bond. In this work we will show that it is possible to dissociate water via photo-sensitisation with UVC light, using a simple organic catalyst.Recently, ab-initio calculations predict that pyridine (Py) can act as a photo-catalyst to split water by absorption of a UV photon, following the reaction: Py-H₂O + hν₁ → Py*-H₂O → PyH• + OH• To test this prediction, we studied the Py-H₂O complex in isolated cold molecular cluster and the system trapped in cryogenic matrices. We characterized the electronic spectroscopy of the PyH• in the gas phase and we evidenced the reaction through UV excitation of Py-(H₂O)n clusters. We have evidenced that the reaction leads PyH• as photoproduct of the reaction. We also evidenced that the surrounding conditions play an important role in the reaction.We have demonstrated that the UV excitation of Py-water clusters leads to the formation of PyH•, thus we have evidenced the water splitting reaction. The last step of the process, that is the regeneration of the catalyst by absorption of a second UV photon (PyH• + hν → Py + H•) has been studied and it seems that only hot PyH• molecules are able to follow this channel. In the present, we are studying other aromatic molecules which are expected to lead the photochemical dissociation of water

Une des meilleures sources d’énergie verte serait d’être capable de casser une molécule d’eau à partir du rayonnement visible fourni par le soleil, afin de générer du H$_2$. L’eau présente le don d’ubiquité sur terre puisqu’elle est présente, sous ses trois phases, dans les océans, la terre et l’atmosphère. Cependant, une énergie de 6.66 eV (VUV) est nécessaire pour rompre directement une des liaisons covalentes de l’eau. Dans ce travail, nous montrons qu’il est possible de dissocier l’eau si celle-ci est associée à un catalyseur photosensible de nature organique, dont les prototypes absorbent dans l’UV, comme la Pyridine (Py). Un récent travail théorique prédit que la Py peut jouer le rôle de ce photocatalyseur, suivant la réaction : Py-H$_2$O + h$\nu_1 \to$ Py*-H$_2$O $\to$ PyH$\bullet$ + OH$\bullet$Pour tester ce modèle théorique nous avons étudié le complexe Py-eau isolé dans un cluster moléculaire froid. Nous avons caractérisé la spectroscopie électronique du PyH$\bullet$ en phase gazeuse et nous avons mis en évidence cette réaction de photodissociation par irradiation UV de clusters Py-(H$_2$O)$_n$. Nous avons aussi testé ce système en matrices cryogéniques pour évaluer l’effet de la solvatation solide. La dernière étape du processus, la régénération du photocatalyseur par absorption d’un deuxième photon UV (PyH$\bullet$ + h$\nu \to$ Py + H$\bullet$) à été aussi prouvé. Il semblerait que seuls les radicaux PyH$\bullet$ chauds soient capables d’engendrer cette dernière réaction.A l’heure actuelle, nous explorons de nouveaux systèmes moléculaires prototypes susceptibles de conduire au même phénomène<br>A major challenge to generate green energy from sunlight would be to split water which is a ubiquitous molecule to produce H$_2$. However VUV light (6.66 eV) is needed to dissociate the H-OH covalent bond. In this work we will show that it is possible to dissociate water via photo-sensitisation with UVC light, using a simple organic catalyst.Recently, ab-initio calculations predict that pyridine (Py) can act as a photo-catalyst to split water by absorption of a UV photon, following the reaction:Py-H$_2$O + h$\nu_1 \to$ Py*-H$_2$O $\to$ PyH$\bullet$ + OH$\bullet$ To test this prediction, we studied the Py-H$_2$O complex in isolated cold molecular cluster and the system trapped in cryogenic matrices. We characterized the electronic spectroscopy of the PyH$\bullet$ in the gas phase and we evidenced the reaction through UV excitation of Py-(H$_2$O) $_n$ clusters. We have evidenced that the reaction leads PyH$\bullet$ as photoproduct of the reaction. We also evidenced that the surrounding conditions play an important role in the reaction.We have demonstrated that the UV excitation of Py-water clusters leads to the formation of PyH$\bullet$, thus we have evidenced the water splitting reaction. The last step of the process, that is the regeneration of the catalyst by absorption of a second UV photon (PyH$\bullet$ + h$\nu \to$ Py + H$\bullet$) has been studied and it seems that only hot PyH$\bullet$ molecules are able to follow this channel. In the present, we are studying other aromatic molecules which are expected to lead the photochemical dissociation of water

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) à l’état solide avec rotation à l’angle magique (MAS) est une technique de choix pour l’étude de la structure et de la dynamique de molécules biologiques peu ou non solubles. Un grand nombre d’approches ont été développées pour la reconstitution de structures tridimensionelles à partir de mesures précises de proximités internucléaires, ainsi que pour la détection de mouvements moléculaires avec une résolution atomique sur des échelles de temps couvrant plusieurs ordres de grandeur. Malgré d’impressionnants progrès, les études par RMN MAS sont cependant loin d’être réalisées en routine. Les déterminations structurelles et de dynamique sont souvent démontrées sur des préparations microcristallines modèles, mais sont encore rares pour des systèmes plus complexes tels que les fibrilles amyloïdes non cristallines ou les protéines trans-membranaires insérées dans des bi- couches lipidiques. Mon travail a pour objectif d’étendre les possibilités de la RMN MAS pour l’étude de systèmes biomoléculaires complexes dans différents états d’agrégation. Pour cela, j’ai exploité les possibilités uniques offertes par les hauts champs magnétiques (fréquence de Larmor du 1H 700, 800 et 1000 MHz) combinés avec les sondes MAS de dernières générations capables d’atteindre des vitesses de rotations supérieures à 60 kHz. Ces conditions expérimentales per- mettent d’augmenter la sensibilité de la RMN MAS à l’aide de la détection 1H à haute résolution et d’enrichir la palette de paramètres RMN rapporteurs de la dynamique des protéines. La première partie de cette thèse décrit le développement de nouvelles stratégies pour l’attribution des résonances du squelette de protéines, pour l’élucidation de structures, et pour l’étude de la dynamique du squelette peptidique et des chaînes latérales. Les méthodes présentées réduisent significative- ment les besoins en termes de temps expérimental, de quantités d’échantillon et de marquage isotopique, et permettent d’analyser par RMN des systèmes de plus hauts poids moléculaire. La seconde partie décrit l’application de la RMN MAS avec détection en 1H pour l’évaluation du rôle de la dynamique des protéines dans des processus tels que la formation de fibrilles amyloïdes et le fonctionnement de protéines membranaires. Une première application est l’étude de la tendance de la β-2 microglobuline humaine à former des fibrilles amyloïdes. Une comparaison de la dynamique du squelette peptidique de la protéine sauvage et du mutant D76N dans leur forme cristalline, ainsi que la détermination de propriétés structurales de la forme fibrillaire m’ont permis d’identifier la présence de repliements pathologiques et de formuler des hypothèses sur le mécanisme de formation des fibrilles. Finalement, la dynamique locale et globale de protéines membranaires dans des bicouches lipidiques a été étudiée. En particulier, le mécanisme d’action d’un transporteur d’alkanes, AlkL, de P. putida a été examiné dans un environnement lipidique. La détermination de paramètres pour la dynamique rapide (ps-ns) et lente (μs-ms) du squelette peptidique de la protéine en présence ou en absence de substrat met en évidence des acheminements possibles pour le transfert de molécules vers la membrane et jette les bases pour une meilleure compréhension du processus<br>Solid-state NMR with magic angle spinning (MAS) has emerged as a powerful technique for investigating structure and dynamics of insoluble or poorly soluble biomolecules. A number of approaches has been designed for reconstructing molecular structures from the accurate measurement of internuclear proximities, and for probing motions at atomic resolution over timescales spanning several orders of magnitude. Despite this impressive progress, however, MAS NMR studies are still far from routine. Complete determinations, which are often demonstrated on model microcrystalline preparations, are still rare when it comes to more complex systems such as non-crystalline amyloid fibrils or transmembrane proteins in lipid bilayers. My work aimed at extending the possibilities of MAS NMR for applications on complex biomolecular systems in different aggregation states. For this, I exploited the unique possibilities provided by high magnetic fields (700, 800 and 1000 MHz 1H Larmor frequency) in combination with the newest MAS probes capable of spinning rates exceeding 60 kHz. These experimental conditions al- low to boost the sensitivity of MAS NMR through 1H detection at high resolution and to enrich the palette of probes for protein dynamics. The first part of the thesis reports on my contribution to the development of new strategies for backbone resonance assignment, for structure elucidation, and for investigation of backbone and side-chain dynamics. These methodologies significantly reduce the requirements in terms of experimental time, sample quantities and isotopic labeling, and enlarge the molecular size of systems amenable to NMR analysis. The second part describes the application of 1H detected MAS NMR to evaluate the role of protein dynamics in problems such as amyloid fibril formation and membrane protein function. I first addressed the amyloid fibril formation propensity of human beta-2 microglobulin, the light chain of the major histocompatibility complex I. I performed comparative studies of backbone dynamics of the wild type protein as well as a D76N mutant in crystals, and determined some of the structural features of the fibrillar form. This allowed to identify the presence of pathological folding intermediates and to formulate hypotheses on the mechanism of fibrils formation. Finally, I studied the local and global dynamics of membrane proteins in lipid bilayers. In particular, I investigated the mechanism of action of the alkane trans- porter AlkL from P. putida in lipid bilayers. The measurement of parameters for fast (ps-ns) and slow (μs-ms) backbone dynamics of the protein in presence or in absence of a substrate highlights possible routes for molecular uptake and lays the basis for a more detailed mechanistic understanding of the process

Les milieux peu profonds font partie de notre environnement proche : les zones littorales, les lacs, les lagunes ou encore les milieux océaniques ou atmosphériques stratifiés. La connaissance des écoulements en milieu peu profond et de leurs propriétés de transport est primordiale pour comprendre la morphologie des lits de rivières ou des zones côtières et pour l'analyse des paramètres naturels et anthropogéniques (chaleur, solides dissous ou en suspension, espèces biologiques), ainsi que pour les prévisions météorologiques. Les observations réalisées sur ces milieux ont mis en évidence un dynamique particulière liée au confinement vertical. On peut assister à la formation de gros tourbillons horizontaux dont la taille excède très largement la profondeur. Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension de ces phénomènes physiques dans le cas d'une dynamique tourbillonnaire générée par un jet impulsionnel turbulent. Grâce à deux dispositifs expérimentaux complémentaires, l'un à petite échelle au laboratoire Master et l'autre à grande échelle sur la plaque Coriolis, nous avons caractérisé la transition d'un milieu profond à un milieu peu profond. Cette transition est contrôlée par un paramètre adimensionnel que nous avons appelé le nombre de confinement C. Lorsque C est faible, le comportement observé relève de la turbulence tridimensionnelle, le milieu est profond. Pour de grandes valeurs de C, on assiste au développement d'une dynamique de turbulence quasi-bidimensionnelle, le milieu est qualifié de peu profond. En milieu peu profond, les jets pulsés se structurent en gros tourbillons de type dipôles. Une étude détaillée de ces dipôles, à la fois à petite échelle (dipôles laminaires) et à grande échelle (dipôles turbulents), a montré l'existence d'un rouleau frontal généré par la friction sur le fond. L'analyse de ces processus physiques a permis de construire un modèle théorique de dipôle dont les prédictions sont comparées avec succès aux résultats expérimentaux<br>The shallow water flows are found in lowland rivers, coastal areas, lakes, and stratified atmospheric and oceanic flows. A proper knowledge of shallow flows and their transport capacities is of great importance for predicting the flow in and morphology of riverbeds and coastal zones, for the analysis of natural and anthropogenic parameters(heat, dissolved and suspended solids, biological species) and for weather forecasting. The observations carried out on shallow flows have revealed a particular dynamics: the vertical confinement can induce the formation of large horizontal vortices, which size greatly exceeds the depth. The aim of the thesis is to improve the knowledge of these physical processes in the case of a vortex dynamics generated by a turbulent impulsive jet. Two experimental campaign, one at small scale at the Master laboratory and the other one on the Coriolis turntable, have been performed to characterize the transition from a deep water layer to a shallow water layer. This transition is controlled by a dimensionless parameter we have called the confinement number C. When C is weak, the behaviour corresponds to three-dimensional turbulence, the water layer is deep. When C is great, the impulsive jet develops in a quasi-two-dimensional turbulence, the water layer is shallow. When the water layer is shallow, impulsive jets generate large horizontal vortices. A detailed study of these dipoles, laminar at small scale and turbulent at large scale, has shown the presence of a vertical circulation in the dipole front. The experimental results have been successfully compared with an original theoretical model

L'optimisation des performances d'une pile à combustible (PEMFC) requiert la compréhension microscopique des mécanismes de transport de l'eau et du proton confinés au sein de la membrane électrolyte polymère. La membrane est un matériau nanostructuré chargé, caractérisé par une dynamique de l'eau et du proton complexe et multi-échelle étroitement corrélée à la morphologie confinante. Nous nous sommes intéressés à la relation structure - transport dans i) L'Aquivion, un ionomère perfluorosulfonique récent présentant de bonnes performances en pile, ii) des systèmes " modèles " auto-assemblés de tensioactifs perfluorés formant des phases lamellaires et hexagonales et iii) une nouvelle membrane hybride préparée par dopage en tensioactif. La nano-structuration des différents systèmes a été étudiée par diffusion de rayonnement (X et neutrons), pour caractériser l'évolution de la structure (géométrie de la matrice hôte, taille de confinement) avec l'hydratation. Ensuite, nous avons sondé la dynamique de l'eau à l'échelle moléculaire (de la picoseconde à la nanoseconde) par diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS) et à l'échelle micrométrique par RMN à gradients de champs pulsés. La comparaison membranes commerciales / systèmes modèles permet de discuter l'impact de la connectivité, du confinement et de la géométrie sur le transport ionique. Enfin, des membranes hybrides à fort potentiel ont été obtenues par dopage du Nafion et de l'Aquivion avec des tensioactifs. Ces nouveaux matériaux ouvrent une voie prometteuse pour la préparation de membranes polymères fortement anisotropes avec des chemins de conduction préférentiellement orientés.

Le Nafion a été considéré comme électrolyte modèle pour les piles à combustible (PAC), grâce à sa stabilité thermique et chimique ainsi que sa bonne conductivité protonique. Cependant, la conductivité protonique du Nafion se détériore à des taux d’humidité &lt; 50% et à des températures &gt;80°C. Pour cette raison de nouvelles membranes hybrides ont été élaborées afin d’en améliorer les performances. Plusieurs pistes ont été envisagées comme par exemple i) Membranes à base de chitosane, considéré comme le second polysaccharide le plus abondant après la cellulose. Ce polymère naturel permet d’assurer la stabilité physique et chimique de la membrane en présence d’eau, sans oublier son coût de revient qui reste moins cher en comparaison avec celui du Nafion et ii) Membranes à base de Nafion et d'argiles fibreuses (HNT), ces dernières confèrent à la membrane une conductivité protonique élevée en construisant des voies de transfert larges et continues. Cela permet aussi d'améliorer les propriétés thermiques et mécaniques des PEM. Notre étude est basée sur l'élaboration de membranes composites, nafion, chitosane et HNT. Des mesures de conductivité ont été entreprises et les valeurs obtenues comparées à celles du nafion. Des mesures d'ac-électrogravimétrie ont aussi été entreprises afin de mieux aborder les mécanismes de conduction<br>The perfluoro-sulfonated ionomer membranes are employed as separators in many industrialapplications such as fuel cells, chloro-alkali industry, electrodialysis and gaining inclininginterest in aqueous rechargeable or redox-flow batteries where the knowledge of their ionictransport and transfer properties is fundamental.Particularly, Nafion is adopted as a referencemembrane for polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells due to its thermal stability andgood proton conductivity. However, Nafion membranes have several disadvantages such as a decrease in the proton conductivity at low relative humidity (&lt;50%) and high temperatures(&gt;80°C), and excessive dimensional changes due to the swelling/deswelling, leading tomechanical instabilities.To circumvent these problems, novel proton conducting membraneshave been developed, either by completely replacing or by using organic and/or inorganiccomponents to Nafion.3 In this regard, a large spectrum of membranes have been elaboratedconsidering many attributes such as high proton conductivity, physical separation between theanode and the cathode and fuel barrier characteristics, good chemical and physical stability andlow elaboration cost of the membrane. Two types of additives were examined to improve the performances, particularly : Membranes based on Nafion with Chitosan biopolymer. This naturel polymer is consideredas the second most abundant polysaccharide after cellulose.6 Chitosan improves the physical andchemical stability of the membrane in the presence of water, and it is considered as a less costlyadditive to Nafion7.The improvement of the proton conductivity with pristine chitosan isessentially challenging. Previous studies demonstrated that vehicularandGrotthuss mechanismjointly govern the proton transfer in chitosan membranes.In the vehicular mechanism, the protons diffuse together with solvent molecules in the form of hydronium ions byforming acomplex such as H5O2+ and H9O4+. In the Grotthuss mechanism, however, the protons jump fromone solvent molecule or functional group to the next by the continuous formation and breakingof hydrogen bonds. Membranes based on Nafion with Halloysite nanotubes (HNT). These clays confer to themembrane high proton conductivity by constructing large and continuous conductionpathways.These inorganic additives also improve the thermal and mechanical properties of PEM. Composite membranes of Nafion/Chitosan- SO3H and Nafion/HNT-SO3H are prepared. Theresulting composite membranes were studied by various conventional structural characterizationtechniques. H+ conductivity measurements were performed and the values obtained are higherthan those of pristine Nafion at various relative humidity (RH%) levels and temperatures (30°C-80°C). Our results highlight the beneficial character of functionalized chitosan biopolymer andHalloysite nanotube clays as additives to improve PEM performances

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He$^4$) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.

Etude du taux de relaxation transversal des protons de l'eau (r2) dans les tissus biologiques. R2 est discute par rapport aux phenomenes d'echange et a la diffusion de l'eau dans les gradients de champ magnetique lies a l'heterogeneite des tissus. Une nouvelle technique d'imagerie fondee sur l'effet overhauser a ete developpee et appliquee a la visualisation de la distribution d'un radical libre dans un rat in vivo

La compréhension d'une réaction chimique exige une connaissance de la structure des produits transitoires qui apparaissent puis disparaissent au cours des réactions, dont la plupart a lieu en phase liquide. Le travail se situe dans le cadre d'un programme de recherche qui a pour objectif la diffraction de rayon X résolue en temps en vue d'une caractérisation directe d'intermédiaires réactionnels crées par excitation laser. La réaction de photodissociation réversible HgI2->Hgl+I dans le méthanol est utilisée comme exemple. Notre étude a permis d'identifier clairement un changement du signal de diffraction induit par l'impulsion laser. L'analyse de ce signal indique qu'il ne peut pas être expliqué par la simple réaction écrite ci-dessus. Le résultat le plus important de notre étude est de démontrer les possibilités et limites de cette technique et d'indiquer des voies pour dépasser ces limites dans des expériences à venir. L'étude de systèmes où le transfert de proton est symétrique, ou presque, est particulèrement intéressante. En effet, quand la différence d'énergie entre différentes positions de protons dépasse l'énergie thermique de façon significative, les protons deviennent localisés et la dynamique de transfert de proton est gelée. Dans le tautomère enolique de l'acétylacétone, trois mouvements de grande amplitude, transfert de proton et la rotation des deux groupes méthyle, sont couplés. L'objectif de ce travail est de mieux comprendre les dynamiques complexes dans cette molécule. Les températures des transitions de phase des échantillons protonés et deutérés ont été déterminées avec les méthodes de diffraction de neutrons et de diffusion Raman. Des calculs de dynamique moléculaire ont été confrontés aux spectres Raman et aux mesures de diffusion inélastique de neutrons. Des informations structurales dans les phases à haute et basse température ont été obtenues par diffraction de rayon X et de neutrons.

L'objectif de cette thèse est de développer la Résonance Magnetique Nucléaire en Rotation à l'Angle Magique (MAS NMR) pour caractériser la structure et la dynamique d' échantillons biologiques complexes, avec un accent particulier sur le rôle des ions métalliques dans les enzymes et les canaux transmembranaires. MAS NMR est une technique performante qui permet d'extraire des informations au niveau atomique, de caractériser la dynamique sur de larges échelles de temps, et d'étudier les états fonctionnels dans des échantillons en conditions natives, une exigence particulièrement importante pour les protéines transmembranaires dans les bicouches lipidiques, par exemple. Néanmoins, un certain nombre de difficultés empêchent son application généralisée en biologie structurelle.Dans mon travail, j'ai développé et appliqué des techniques basées sur des champs magnétiques élevés (fréquence de Larmor du 1H 800 MHz et 1 GHz ) et des sondes MAS avec des rotors de diamètre inférieur au millimètre, tournant à des vitesses supérieures à 100 kHz, ce qui a contribué à faire progresser les capacités de cette technique : i) en augmentant la taille moléculaire des systèmes qui peuvent être étudiés avec un détail du niveau du résidu ; ii) en réduisant les exigences en termes de marquage isotopique, notamment la deutération ; iii) en accélérant les processus laborieux d'attribution de résonance et d'acquisition de paramètres dynamiques ; iv) en enrichissant la palette des paramètres mesurables liés à la dynamique. Tout au long de cette thèse, les méthodes ont été évaluées sur des échantillons microcristallins du domaine modèle GB1, et appliquées à la Cu,Zn-superoxyde dismutase (une métalloenzyme dimérique de Cu de 2x16 kDa) sous forme microcristalline et fonctionnelle, ainsi qu'à deux canaux transmembranaires reconstitués en bicouches lipidiques, CorA (un canal cationique pentamérique bactérien de 5x40 kDa) et l'Aqp-1 humaine (aquaporin-1, canal d'eau tétramérique de 4x25 kDa). Les résultats obtenus éclaircissent d'avantage la relation entre la dynamique interne et la fonction des protéines<br>The aim of my thesis is to develop Magic-Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (MAS NMR) to characterize structure and dynamics in complex biological samples, with a particular focus on the role of metal ions in enzymes and channels.MAS NMR is a powerful technique that allows to extract atomic level information, characterize broad timescales of motions, and investigate functional states in native-like sample conditions, a particularly important requirement e.g. for transmembrane proteins in lipid bilayers. Nonetheless, a number of bottlenecks prevents its widespread application in structural biology.In my work I developed and applied tailored techniques based on high magnetic fields (800 MHz and 1 GHz 1H Lamor frequency) and MAS probes with sub-mm diameter rotors spinning at rates above 100 kHz, which contributed to push forward the capability of this technique: i) by enlarging the molecular size of the systems that can be investigated with site specificity; ii) by reducing the requirements in terms of isotopic labeling, notably deuteration; iii) by speeding up the tedious processes of resonance assignment and acquisition of dynamical parameters; iv) by enriching the palette of measurable parameters connected to dynamics.All along this thesis, the methods were benchmarked on microcrystalline samples of the model domain GB1, and applied to Cu,Zn-superoxide dismutase (a dimeric 2x16 kDa Cu metalloenzyme) in functional microcrystalline form, as well as to two transmembrane channels reconstituted in lipid bilayers, bacterial CorA (a pentameric 5x40 kDa cation channel) and human Aqp-1 (tetrameric 4x25 kDa aquaporin-1 water channel). The data obtained shed new light on the relation between internal dynamics and function

Lorsqu’un morceau de bois atteint le fond de l’océan, il provoque la mise en place d’un écosystème capable de se développer en absence de lumière. Cet écosystème est qualifié de chimiosynthétique du fait de la présence d’une faune pouvant fixer le carbone inorganique présent dans l’eau de mer. De plus, ce système attire une faune ultra-specialisée qui utilise des symbiontes bactériens pour digèrer le bois. Avant ces travaux, la plupart des études s’interressaient principalement à la macrofaune et le rôle des microorganismes libres demeurait inconnu. Nous avons pu démontrer dans cette thèse le rôle essentiel que jouent les microorganismes libres dans la mise en place de cet écosystème. Nous avons prouvé que des communautés de microorganismes se succédaient au cours de la première année de colonisation et que cette succession était influencée par le type de bois et l’environment dans lequel il se trouve. La première phase de cette succession aboutit au développement après un mois, d’une population de bactéries sulfato-réductrices produisant de l’hydrogène sulfuré et ce, même en l’absence d’organismes foreurs. Cette production d’hydrogène sulfuré est à la base (1) du développement rapide d’un biofilm chimiolithoautotrophe et (2) du recrutement d’espèces possédants des symbiontes chimiosynthétiques. Nos résultats ont permis d’aboutir à la proposition d’une succession d’étapes clés liées permettant la transformation d’un substrat térrigène en un écosysteme qui, il y a plusieurs millions d’années, aurait permis à la faune chimiosynthétique de coloniser les grands fonds<br>When wood sinks to the deep-sea floor it creates a new ecosystem that does not depend directly on energy from sunlight. This ecosystem is called chemosynthetic because of the presence of a fauna associated with symbiotic bacteria that can assimilate inorganic carbon from seawater. Furthermore this system is colonized by specialized fauna that use symbiotic bacteria to digest the wood matrix. Previous studies mostly focused on these symbiotic macroorganisms and the role played by non-symbiotic microorganisms in the sunken wood ecosystem remains unknown. We demonstrate in this thesis the important role played by non symbiotic microorganisms during the sunken wood ecosystem establishment. We reveal the ecological succession of microorganisms driven by time and wood structure. The first step of this succession is characterized by a microbial population able to produce hydrogen sulfide after one month of immersion. This hydrogen sulfide production is the basis for (1) a chemolithoautotroph biofilm development on the wood surface and (2) a recruitment of species associated with chemoautotrophic bacteria. Our results suggest a succession of different phases that transform a terrigeneous substrate into an environment that may have helped, million years ago, the colonization of the deep sea by chemosynthetic species

Lorsqu’un morceau de bois atteint le fond de l’océan, il provoque la mise en place d’un écosystème capable de se développer en absence de lumière. Cet écosystème est qualifié de chimiosynthétique du fait de la présence d’une faune pouvant fixer le carbone inorganique présent dans l’eau de mer. De plus, ce système attire une faune ultra-specialisée qui utilise des symbiontes bactériens pour digèrer le bois. Avant ces travaux, la plupart des études s’interressaient principalement à la macrofaune et le rôle des microorganismes libres demeurait inconnu. Nous avons pu démontrer dans cette thèse le rôle essentiel que jouent les microorganismes libres dans la mise en place de cet écosystème. Nous avons prouvé que des communautés de microorganismes se succédaient au cours de la première année de colonisation et que cette succession était influencée par le type de bois et l’environment dans lequel il se trouve. La première phase de cette succession aboutit au développement après un mois, d’une population de bactéries sulfato-réductrices produisant de l’hydrogène sulfuré et ce, même en l’absence d’organismes foreurs. Cette production d’hydrogène sulfuré est à la base (1) du développement rapide d’un biofilm chimiolithoautotrophe et (2) du recrutement d’espèces possédants des symbiontes chimiosynthétiques. Nos résultats ont permis d’aboutir à la proposition d’une succession d’étapes clés liées permettant la transformation d’un substrat térrigène en un écosysteme qui, il y a plusieurs millions d’années, aurait permis à la faune chimiosynthétique de coloniser les grands fonds<br>When wood sinks to the deep-sea floor it creates a new ecosystem that does not depend directly on energy from sunlight. This ecosystem is called chemosynthetic because of the presence of a fauna associated with symbiotic bacteria that can assimilate inorganic carbon from seawater. Furthermore this system is colonized by specialized fauna that use symbiotic bacteria to digest the wood matrix. Previous studies mostly focused on these symbiotic macroorganisms and the role played by non-symbiotic microorganisms in the sunken wood ecosystem remains unknown. We demonstrate in this thesis the important role played by non symbiotic microorganisms during the sunken wood ecosystem establishment. We reveal the ecological succession of microorganisms driven by time and wood structure. The first step of this succession is characterized by a microbial population able to produce hydrogen sulfide after one month of immersion. This hydrogen sulfide production is the basis for (1) a chemolithoautotroph biofilm development on the wood surface and (2) a recruitment of species associated with chemoautotrophic bacteria. Our results suggest a succession of different phases that transform a terrigeneous substrate into an environment that may have helped, million years ago, the colonization of the deep sea by chemosynthetic species

H+-V-ATPase est une protéine responsable de la translocation des protons. Les propriétés structurales d'un peptide dérivé de la sous-unité a de H+-V-ATPase, ont été étudiées. La structure dans des micelles de SDS a été déterminée par RMN. Il a été démontré par dichroisme circulaire que le peptide est structuré en feuillet beta dans l'octylglucoside à haut pH, tandis qu'il présente 60\% d'hélice alpha dans le SDS. Ces observations ont été expliquées par des simulations de dynamique moléculaire, qui ont démontré que le peptide est inseré dans la micelle de SDS à haut pH, alors qu'en présence d'octylglucoside il est en interaction avec la surface de la micelle. La structure RMN en combinaison avec les simulations nous a permis d'identifier les residues participant au canal périplasmique. Dans la deuxième partie de la thèse, des essais de préparation d'échantillons du canal mécanosensible de haute conductance (MscL) dans des bicouches orientées de lipides ont été réalisés afin d'étudier cette protéine par RMN du solide<br>The structural properties of a peptide derived from the proton translocating H+-V-ATPase subunit a were studied. An NMR structure was obtained in SDS micelles. Circular dichroism measurements indicated that the peptide formed a beta-sheet at high pH in octylglucoside, while it was 60% alpha-helical in SDS. These findings were explained using molecular dynamics simulations, which indicated that at high pH the peptide took a transmembrane position in SDS but was located in the interface region in octylglucoside. The combination of the NMR structure and the MD simulations allowed us to identify the residues that line the lumenal proton channel