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This work aims to improve the structural description of the pure TeO2 glass and to give an insight of the structure of TeO2-MxOy binary glasses (M = Ti, Tl) by means of X-ray total scattering experiments and molecular dynamics (MD) simulations. We were able to determine, via Raman spectroscopy and X-ray total scattering experiments, that Tl2O causes the depolymerization of the glass structure whereas the addition of TiO2 leads to the conservation of Te(IV) environments. The MD simulations of the pure TeO2 glass and glasses within the TeO2-TiO2 system are carried out. First, we refined the Te(IV)-O interatomic potentials allowing us to reproduce TeO2 polymorphs as well as 14 crystalline structures containing TeO2. It was then demonstrated that the TeO2 glass consists largely of TeO4 and TeO3 units, giving a coordination number of 3.71, lower than that in the TeO2 polymorphs. Adding TiO2 tends to reinforce the connectivity within the tellurite framework via the reduction of the number of non-bridging oxygen atoms and the creation of Te-O-X bridges (with X = Te, Ti), which would justify the improvement of mechanical and thermal resistance of these glasses.; Ce travail de thèse constitue une contribution à la compréhension de la structure de verres à base de TeO2, notamment au sein des systèmes binaires TeO2-TiO2 et TeO2-Tl2O. La spectroscopie Raman et la diffusion totale des rayons X (extraction des fonctions de distribution de paires) ont permis de déterminer que la structure du verre évolue fortement avec l'ajout de Tl2O tandis que l'ajout de TiO2 n'entraîne pas d'évolution structurale significative. Des simulations par dynamique moléculaire sont réalisées pour la première fois dans le système TeO2-TiO2. Pour cela, nous avons affiné un jeu de potentiels interatomiques Te(IV)-O transférable aux matériaux tellurites, permettant de reproduire les structures des polymorphes de TeO2 ainsi que celles de plus d'une douzaine de composés cristallins à base de TeO2. La structure simulée du verre pur TeO2 est composé majoritairement d'unités TeO4 et TeO3, engendrant une coordinence de l'atome Te de 3,71, inférieure à celle dans les polymorphes de TeO2. L'ajout de TiO2 renforce la connectivité du réseau tellurite via la diminution de la proportion d'atomes O terminaux et la création de ponts Te-O-X (avec X = Te, Ti), ce qui justifierait une amélioration des propriétés mécaniques et thermiques de ces verres.

This work aims to improve the structural description of the pure TeO2 glass and to give an insight of the structure of TeO2-MxOy binary glasses (M = Ti, Tl) by means of X-ray total scattering experiments and molecular dynamics (MD) simulations. We were able to determine, via Raman spectroscopy and X-ray total scattering experiments, that Tl2O causes the depolymerization of the glass structure whereas the addition of TiO2 leads to the conservation of Te(IV) environments. The MD simulations of the pure TeO2 glass and glasses within the TeO2-TiO2 system are carried out. First, we refined the Te(IV)-O interatomic potentials allowing us to reproduce TeO2 polymorphs as well as 14 crystalline structures containing TeO2. It was then demonstrated that the TeO2 glass consists largely of TeO4 and TeO3 units, giving a coordination number of 3.71, lower than that in the TeO2 polymorphs. Adding TiO2 tends to reinforce the connectivity within the tellurite framework via the reduction of the number of non-bridging oxygen atoms and the creation of Te-O-X bridges (with X = Te, Ti), which would justify the improvement of mechanical and thermal resistance of these glasses.; Ce travail de thèse constitue une contribution à la compréhension de la structure de verres à base de TeO2, notamment au sein des systèmes binaires TeO2-TiO2 et TeO2-Tl2O. La spectroscopie Raman et la diffusion totale des rayons X (extraction des fonctions de distribution de paires) ont permis de déterminer que la structure du verre évolue fortement avec l'ajout de Tl2O tandis que l'ajout de TiO2 n'entraîne pas d'évolution structurale significative. Des simulations par dynamique moléculaire sont réalisées pour la première fois dans le système TeO2-TiO2. Pour cela, nous avons affiné un jeu de potentiels interatomiques Te(IV)-O transférable aux matériaux tellurites, permettant de reproduire les structures des polymorphes de TeO2 ainsi que celles de plus d'une douzaine de composés cristallins à base de TeO2. La structure simulée du verre pur TeO2 est composé majoritairement d'unités TeO4 et TeO3, engendrant une coordinence de l'atome Te de 3,71, inférieure à celle dans les polymorphes de TeO2. L'ajout de TiO2 renforce la connectivité du réseau tellurite via la diminution de la proportion d'atomes O terminaux et la création de ponts Te-O-X (avec X = Te, Ti), ce qui justifierait une amélioration des propriétés mécaniques et thermiques de ces verres.

International audience; Presentation du parametrage de champs de force pour les actinides(IV) dans l'eau pour la dynamique moleculaire classique.Methode de parametrage et premiers resultats d'hydratation.

In this manuscript, we focused on the properties of magmas and the effects of water on these properties using classical molecular dynamics simulations. After having pointed out the importance of water in geological processes and presented some basic principles of molecular dynamics simulations, we present a force field for dry silicate melts. We use this force field to study the equation of state, the structure and the transport properties (viscosity, electrical conductivity, diffusion coefficient) of silicate melts of terrestrial and extra-terrestrial compositions. These results are systematically compared with data of the literature. We then develop a force field for pure water compatible to the one proposed for silicates. The validity of this force field is investigated by comparison with experimental studies, ab-initio simulations and other MD simulations using classical force fields. At last we add a water-silicate interaction to the two former force fields in order to describe hydrous silicate melts. This force field is used to study the properties of water-silicate mixtures (solubility, surface tension). The structure and properties of hydrous silicate melts are evaluated as well as the speciation of water, the density, the viscosity, the electrical conductivity and the diffusion coefficients. The local structure around protonated species (OH-,H2O and H3O+) and their diffusion coefficients are also determined. All these results are compared with available data of the literature., Dans ce manuscrit, nous nous sommes intéressés aux propriétés des magmas ainsi qu’aux effets de l’eau sur celles-ci en utilisant la dynamique moléculaire classique. Après avoir mis en avant l’importance de l’eau dans les phénomènes géologiques et présenté quelques bases de dynamique moléculaire, nous présentons un champ de force pour les liquides silicatés anhydres. Nous utilisons ce champ de force pour étudier l’équation d’état, la structure et les propriétés de transport (viscosité, conductivité électrique, coefficient de diffusion) de liquides silicatés de composition aussi bien terrestre qu’extra-terrestre. Ces résultats sont systématiquement comparés avec les données de la littérature. Nous développons ensuite un champ de force pour l’eau pure compatible avec celui proposé pour les silicates. La validité de ce champ de force est étudiée par comparaison avec des résultats expérimentaux, de simulations ab-initio et d’autre champs de force classiques. Nous ajoutons enfin une interaction eau-silicate aux deux champs de forces précédents pour obtenir un champ de force décrivant les silicates hydratés. Celui-ci est utilisé pour étudier les propriétés des mélanges eau-silicate (solubilité, tension de surface). La structure et les propriétés des silicates hydratés sont ensuite étudiées, notamment la spéciation de l’eau, la densité, la viscosité, la conductivité électrique et les coefficients de diffusion. La structure locale autour des espèces protonées (OH-,H2O et H3O+) et leurs coefficients de diffusion sont également déterminés. Ces différents résultats sont là encore comparés aux données existantes dans la littérature.

The formation of H2 in the interstellar medium, from two hydrogen atoms, is a fundamental question in astrophysics. This very exothermic reaction is indeed the first step of a series of essential reactions for the interstellar physical-chemistry that takes place on the surface of interstellar dust grains. In the warm regions of the ISM, diffuse clouds and Photodissociation regions, the invoked formation mechanism is the Eley-Rideal heterogeneous catalysis reaction, in which one H atom is initially chemisorbed. The grains have mainly carbonaceous graphitic-like composition. Previous theoretical works carried out using constrained geometries were unable to explain the formation of H2 in the observed rovibrationnal states (v

This work deals with the intramolecular dynamics of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons submitted to interstellar medium conditions (isolated, rotationally cold but vibrationnally excited PAHs). Theoretical and experimental analyses of the two relaxation channels have been developed: IR emission or fragmentation. The IR absorption spectrum was obtained by classical Molecular Dynamics (on a Tight-Binding semi-empirical potential surface) coupled with the Adiabatic Switching semi-classical method in order to simulate any PAHs (even heavier than a hundred carbons). A new parametrization fitted to these aromatic systems and a quantum anharmonical DOS model were developed. This spectral simulation reproduces the main features as a function of the astrophysical relevant variables: role of the ionization (strong change in the spectrum profile and in the total absolute intensity), temperature influence (red shift, broadening and modification of the intensity of the peaks), anharmonicity (zero point energy, frequencies), structure effects (compactness, pentagonal cycle and size). The H-loss channel, induced by photon sequential absorption, of the fluorene cation (REMPI ionization) was studied using a supersonic molecular beams and a mass spectrometer. Our original method led to the determination of the absolute absorption cross-section, its attenuation with the number of absorbed photons and of the evolution of the decay rate in a relatively wide energetic range. A particular attention was focused on the data analysis techniques. A free fit of this rate is close to the PTD statistical model, but shows a strong discrepancy with the RRK model mainly at low energy. The activation energy obtained through these two models are compatible with that deduced from the Tight-Binding potential.; Ce travail porte sur la dynamique intramoléculaire des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques soumis aux conditions du milieu interstellaire (PAH isolé rotationnellement froid mais vibrationnellement excité). Des études théoriques et expérimentales ont été menées sur leur deux voies de relaxation: émission IR ou fragmentation. Le spectre d'absorption IR a été obtenu par dynamique moléculaire couplée à une méthode semi-classique Adiabatic Switching. La dynamique a été réalisée sur une surface de potentiel semi-empirique Tight-Binding dans le but de simuler tous types de PAHs pouvant dépasser une centaine de carbones (systèmes encore inaccessibles aux expériences et aux calculs ab-inito). Une paramétrisation du potentiel adaptée aux PAHs a été développée ainsi qu'un modèle donnant la densité d'états anharmonique quantique. La simulation spectrale reproduit les grandes tendances en fonction des variables pertinentes en astrophysique: rôle de l'ionisation fort changement de l'allure du spectre et de l'intensité totale absolue), et de la température (décalage vers le rouge, élargissement et modification des intensités des bandes), effet d'anharmonicité (énergie de point zéro, fréquences), et de structure (compacité, cycle pentagonal et taille). La cinétique de fragmentation (induite par absorption séquentielle de photons) d'un hydrogène du cation fluorène (ionisation REMPI) a été étudiée à l'aide d'un jet supersonique et d'un spectromètre de masse. Cette méthode expérimentale originale a permis de déterminer la section efficace absolue d'absorption, d'analyser son atténuation avec le nombre de photons absorbés et l'évolution de la constante de dissociation dans un domaine d'énergie relativement large. Une attention particulière a été portée sur les techniques d'analyse des données. (la loi de Poisson, matrice de branchement, la loi cinétique, matrice d'évolution, simulation de la forme de signaux du spectromètre). Un ajustement libre de la variation de cette constante est proche de celui du modèle statistique PTD mais très différent à basse énergie du modèle RRK. L'énergie d'activation obtenue par ces deux modèles est compatible avec celle déduite du potentiel Tight-Binding.

This work deals with the intramolecular dynamics of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons submitted to interstellar medium conditions (isolated, rotationally cold but vibrationnally excited PAHs). Theoretical and experimental analyses of the two relaxation channels have been developed: IR emission or fragmentation. The IR absorption spectrum was obtained by classical Molecular Dynamics (on a Tight-Binding semi-empirical potential surface) coupled with the Adiabatic Switching semi-classical method in order to simulate any PAHs (even heavier than a hundred carbons). A new parametrization fitted to these aromatic systems and a quantum anharmonical DOS model were developed. This spectral simulation reproduces the main features as a function of the astrophysical relevant variables: role of the ionization (strong change in the spectrum profile and in the total absolute intensity), temperature influence (red shift, broadening and modification of the intensity of the peaks), anharmonicity (zero point energy, frequencies), structure effects (compactness, pentagonal cycle and size). The H-loss channel, induced by photon sequential absorption, of the fluorene cation (REMPI ionization) was studied using a supersonic molecular beams and a mass spectrometer. Our original method led to the determination of the absolute absorption cross-section, its attenuation with the number of absorbed photons and of the evolution of the decay rate in a relatively wide energetic range. A particular attention was focused on the data analysis techniques. A free fit of this rate is close to the PTD statistical model, but shows a strong discrepancy with the RRK model mainly at low energy. The activation energy obtained through these two models are compatible with that deduced from the Tight-Binding potential., Ce travail porte sur la dynamique intramoléculaire des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques soumis aux conditions du milieu interstellaire (PAH isolé rotationnellement froid mais vibrationnellement excité). Des études théoriques et expérimentales ont été menées sur leur deux voies de relaxation: émission IR ou fragmentation. Le spectre d'absorption IR a été obtenu par dynamique moléculaire couplée à une méthode semi-classique Adiabatic Switching. La dynamique a été réalisée sur une surface de potentiel semi-empirique Tight-Binding dans le but de simuler tous types de PAHs pouvant dépasser une centaine de carbones (systèmes encore inaccessibles aux expériences et aux calculs ab-inito). Une paramétrisation du potentiel adaptée aux PAHs a été développée ainsi qu'un modèle donnant la densité d'états anharmonique quantique. La simulation spectrale reproduit les grandes tendances en fonction des variables pertinentes en astrophysique: rôle de l'ionisation fort changement de l'allure du spectre et de l'intensité totale absolue), et de la température (décalage vers le rouge, élargissement et modification des intensités des bandes), effet d'anharmonicité (énergie de point zéro, fréquences), et de structure (compacité, cycle pentagonal et taille). La cinétique de fragmentation (induite par absorption séquentielle de photons) d'un hydrogène du cation fluorène (ionisation REMPI) a été étudiée à l'aide d'un jet supersonique et d'un spectromètre de masse. Cette méthode expérimentale originale a permis de déterminer la section efficace absolue d'absorption, d'analyser son atténuation avec le nombre de photons absorbés et l'évolution de la constante de dissociation dans un domaine d'énergie relativement large. Une attention particulière a été portée sur les techniques d'analyse des données. (la loi de Poisson, matrice de branchement, la loi cinétique, matrice d'évolution, simulation de la forme de signaux du spectromètre). Un ajustement libre de la variation de cette constante est proche de celui du modèle statistique PTD mais très différent à basse énergie du modèle RRK. L'énergie d'activation obtenue par ces deux modèles est compatible avec celle déduite du potentiel Tight-Binding.