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Approches de docking et de Machine Learning pour l'exploration de nouveaux « scaffolds » lors de la recherche de molécules d'intérêt thérapeutique
No full textThe challenges of drug discovery from hit identification to clinical development sometimes involves addressing scaffold hopping issues, in order to optimise molecular biological activity or ADME properties, improve selectivity or mitigate toxicology concerns of a drug candidate.They consist in identifying active molecules of similar binding modes but of different chemical structures to that of known active molecules. Large-step scaffold hopping, which corresponds to the highest degree of structural dissimilarity with the original hit, cannot be easily solved without the aid of computational methods. Docking is usually viewed as the method of choice for identification of such isofunctional molecules. However, the structure of the protein may not be suitable for docking because of a low resolution, or may even be unknown. In such cases, ligand-based approaches offer promise but are often inadequate to handle large-step scaffold hopping, because they are based on molecular descriptors that were not specifically developed for it. Solving those problems boils down to the identification of molecular descriptors corresponding to an embedding of the chemical space in which two molecules that are examples of large-step scaffold hopping cases are similar (i.e. close), although they are dissimilar (i.e. far) in the space embedded by molecular descriptors based principally on the chemical structure. To evaluate molecular descriptors to solve this particular challenging task, we built a high quality dataset of scaffold hopping examples comprising pairs of active molecules and including a variety of protein targets. We then proposed a strategy to evaluate the relevance of molecular descriptors to that problem, corresponding to real-life applications where one active molecule is known, and the second active is searched among a set of decoys chosen in a way to avoid statistical bias. We assessed how limited classical 2D and 3D descriptors are at solving these problems. Therefore, we introduced the Interaction Fingerprints Profile (IFPP), a molecular representation that captures molecules' binding modes based on docking experiments against a panel of diverse high-quality protein structures. Evaluation on the benchmark demonstrated its interest for identifying isofunctional molecules. Nevertheless, its computation is expensive, which limits its scalability for screening very large molecular libraries. We proposed to overcome this limitation by leveraging Metric Learning approaches, allowing fast estimation of molecules IFPP similarities, thus providing an efficient pre-screening strategy that is applicable to very large molecular libraries. Overall, our results suggest that IFPP provides an interesting and complementary tool alongside existing methods, in order to address challenging scaffold hopping problems effectively in drug discovery.La découverte de médicaments, de l'identification de candidats jusqu'au développement clinique, implique parfois de résoudre des problèmes de 'scaffold hopping', dans le but d'optimiser l'activité biologique, la sélectivité, les propriétés ADME, ou de réduire les préoccupations toxicologiques des molécules. Ils consistent à identifier des molécules actives dont les modes de liaison sont similaires mais dont les structures chimiques sont différentes de celles des actifs connus.Le 'large-step scaffold hopping', qui correspond au degré le plus élevé de différence structurelle avec la molécule initiale, nécessite l'aide de méthodes calculatoires. Le docking est considéré comme la méthode de choix pour l'identification de telles molécules isofonctionnelles. Cependant, la structure de la protéine peut ne pas être adaptée au docking en raison d'une faible résolution, voire être inconnue. Dans de tels cas, les approches 'ligand-based' sont prometteuses mais souvent insuffisantes car basées sur des descripteurs moléculaires n'ayant pas été spécifiquement développés pour le 'large-step scaffold hopping'. La résolution de ces problèmes se résume à l'identification de descripteurs correspondant à une représentation de l'espace chimique dans laquelle deux molécules qui sont des cas de 'scaffold hopping' sont similaires, bien qu'elles soient dissemblables dans l'espace représenté par les descripteurs basés principalement sur la structure chimique. Afin d'évaluer la capacité des descripteurs à les résoudre, nous avons constitué un ensemble de cas de 'scaffold hopping' de haute qualité comprenant des paires de molécules actives pour une variété de protéines. Nous avons ensuite proposé une stratégie pour évaluer la pertinence des descripteurs pour résoudre ces problèmes, correspondant à des cas réels où une molécule active est connue, et la seconde active est recherchée parmi un ensemble de molécules leurres choisies de manière à éviter les biais statistiques. Nous avons ainsi illustré les limites des descripteurs classiques 2D et 3D. Par conséquent, nous proposons l'Interaction Fingerprints Profile (IFPP), une représentation moléculaire qui capture les modes de liaison des molécules via des dockings sur un panel de protéines diverses. L'évaluation de cette représentation sur le benchmark démontre son intérêt pour l'identification de molécules isofonctionnelles. Cependant, son calcul coûteux limite sa mise à l'échelle pour le criblage de bibliothèques moléculaires très larges. Nous avons remedié à cela en tirant parti du Metric Learning, qui permet une estimation rapide des similarités des IFPP des molécules, fournissant ainsi une stratégie de pré-criblage efficace applicable à de larges bibliothèques. Nos résultats suggèrent que l'IFPP est un outil intéressant et complémentaire aux méthodes existantes afin de résoudre le 'scaffold hopping'
Contribution à la modélisation des interactions produit-processus de fabrication.Application à la thermocompression des composites massifs à fibres continues
No full textThe thesis focuses on the study of the innovative EPITHER manufacturing process, which enables the production of bulk structural composite parts incorporating a thermoplastic matrix and continuous oriented fibres. This novel process relies on two key steps: 3D printing preforming followed by compression moulding. The combination of these two processes allows for the achievement of specific properties, such as a high fibre content, low porosity, and dimensional control. The thesis identifies three main scientific challenges. Firstly, product-process interactions are explored, highlighting the influence of compression ratios on composite properties. This investigation is based on interrupted tests and a repeatability study, demonstrating the reliability of 3D printing and compression moulding processes. Secondly, the characterization of elastic properties of massive composites is a crucial step. An inverse identification method is developed, adapted to isotropic-transverse materials, enabling the characterization of five elastic constants. This approach provides rich perspectives for an in-depth understanding of the mechanical behaviours of bulk composites. Thirdly, the thesis focuses on modelling interactions between process parameters and product properties, with an emphasis on the compression moulding phase. Experimental results reveal significant correlations, contributing to a better understanding of the process and paving the way for optimizations in the manufacturing process. In conclusion, this thesis offers promising perspectives for the implementation and characterization of massive composites. The advancements made, particularly in mechanical characterization, understanding, and modelling of product-process interactions, strengthen the scientific and technological foundations of EPITHER. These developments open extended opportunities in the field of composite materials, underscoring the importance of a thorough mastery of the manufacturing process for the development of innovative composites.La thèse porte sur l’étude du processus de fabrication innovant EPITHER. Ce dernier permet la fabrication de pièces structurelles massives en composite, intégrant une matrice thermoplastique et des fibres continues orientées. Ce processus novateur repose sur deux étapes clés : le préformage par impression 3D suivi d’une thermocompression. L’association de ces deux procédés permet d’obtenir des propriétés spécifiques, tels que l'obtention d'un taux élevé de fibres, une faible porosité, et une maîtrise dimensionnelle. La thèse identifie trois verrous scientifiques principaux. Premièrement, les interactions produit-processus sont explorées, mettant en évidence l'influence du taux de compression sur les propriétés des composites. Cette investigation repose sur des essais interrompus et une étude de répétabilité, démontrant la fiabilité des processus d'impression 3D et de thermocompression. Deuxièmement, la caractérisation des propriétés élastiques des composites massifs constitue une étape cruciale. Une méthode d'identification inverse est développée, adaptée aux matériaux isotropes-transverses, permettant la caractérisation de cinq constantes élastiques. Cette approche offre des perspectives riches pour la compréhension approfondie des comportements mécaniques des composites massifs. Troisièmement, la thèse se penche sur la modélisation des interactions entre les paramètres de processus et les propriétés des produits, en mettant l'accent sur la phase de thermocompression. Les résultats expérimentaux mettent en lumière des liens significatifs, contribuant à une meilleure compréhension du procédé et ouvrant la voie à des optimisations du processus de fabrication. En conclusion, cette thèse offre des perspectives prometteuses pour la mise en œuvre et la caractérisation des composites massifs. Les avancées réalisées, notamment dans la caractérisation mécanique, la compréhension et la modélisation des interactions produit-processus, renforcent les bases scientifiques et technologiques d'EPITHER. Ces avancées ouvrent des opportunités d'application étendues dans le domaine des matériaux composites, soulignant l'importance d'une maîtrise approfondie du processus de fabrication pour le développement de composites innovants
Analyse du cycle de vie environnemental de systèmes de production d'énergie par des microalgues dépendants du temps
No full textThis PhD thesis examines microalgae-based energy production as a promising alternative to fossil fuels, focusing on how external conditions cause fluctuations in microalgae growth, impacting energy production efficiency. To better account for these fluctuations, a dynamic Life Cycle Assessment (LCA) approach was used, aiming to improve representativeness of results over the classical static LCA. A methodological framework was proposed to integrate dynamic LCA modeling, consisting of five steps: developing a parameterized static LCA model, identifying key parameters for dynamic considerations, modifying the static model into a dynamic one to incorporate the system’s dynamics, applying the two models to various scenarios, and comparing the results. The framework was tested on a microalgae-to-biogas system, revealing that differences between static and dynamic LCA results depend on the impact category, scenario, functional unit, and dynamic influencing parameters. The analysis has shown that most of the differences were considered non-significant within a 20% threshold. These differences, however, did not encompass all possible operational conditions of the system.Cette thèse de doctorat examine la production d'énergie à partir de microalgues en tant qu'alternative prometteuse aux combustibles fossiles. L’accent est mis sur la façon dont les conditions externes provoquent des fluctuations de la croissance des microalgues, ce qui a un impact sur l'efficacité de la production d'énergie. Pour mieux prendre en compte ces fluctuations, une approche dynamique de l'analyse du cycle de vie (ACV) a été utilisée, afin d'améliorer la représentativité des résultats par rapport à l'ACV statique classique. Un cadre méthodologique a été proposé pour intégrer la modélisation dynamique de l'ACV, en cinq étapes : élaboration d'un modèle d'ACV statique paramétrisé, identification des paramètres clés pour les considérations dynamiques, modification du modèle statique en un modèle dynamique pour incorporer les dynamiques du system, application des deux modèles à divers scénarios et comparaison des résultats. Le cadre a été testé sur un système de transformation des microalgues en biogaz, révélant que les différences entre les résultats de l'ACV statique et dynamique dépendent de la catégorie d'impact, du scénario, de l'unité fonctionnelle, et des paramètres dynamiques influent. L’analyse a montré que la plupart de ces différences ont été jugées non significatives à un seuil de 20 %. Toutefois, ces différences n'englobent pas toutes les conditions opérationnelles possibles du système
Effet des mésoségrégations sur la ténacité des aciers faiblement alliés des composants lourds
No full textLow alloy ferritic steels used for large forged components in nuclear power plants might contain chemical heterogeneities called segregations. Segregations are formed during the solidification process of the metal and can be found at different scales in ingots (macro, meso and micro). They remain in the material after forging and numerous heat treatments, thus leading to microstructural and mechanical heterogeneities in the final component at different scales. This study aimed at evaluating the effect of chemical and microstructural heterogeneities at the mesoscopic scale (called mesosegregations) on the fracture toughness and fracture mechanisms at low temperatures (close to the expected T0 value of the Master Curve).There is currently no quantitative study of the morphology and distribution of mesosegregations in such segregated steels. Moreover, the fracture properties of mesosegregations are unknown due to their small size and the difficulty to identify them with precision. In this study, characterizations of the segregated material using metallography, micro-hardness testing, and electron probe microanalysis (EPMA) showed that mesosegregations appeared disk-shaped with an average thickness of 220 µm, a diameter of 5 mm approximately and an average distance of 1,5 mm between two mesosegregations.Using reduced-size compact tension specimens (CT4), fatigue pre-cracks were located both randomly and intentionally inside and outside mesosegregations to help crack initiation happening inside the targeted areas. The fracture toughness was then correlated to the local fracture mechanisms. It appeared that, statistically, crack initiation happening inside mesosegregations led to lower fracture toughness values than outside mesosegregations. Indeed, the median fracture toughness value inside mesosegregations was equal to the 10th percentile value outside mesosegregations, which was 50 MPa√m at -90°C. However, low values for both areas were similar and the difference of fracture toughness distribution relied on the higher values. It was shown that the predominant fracture mechanism, both inside and outside mesosegregations, was transgranular cleavage and not intergranular cracking, even at the crack initiation site. This could be explained by the low amounts of sulfur and phosphorous in this material. EDS analysis performed at the crack initiation sites showed that molybdenum and manganese enriched carbides (2-5 µm in size) were responsible for the majority of fractures. These carbides were always located at the edge of cleavage facets.A bimodal model using the local approach to fracture (based on the Beremin model) have been developed to explore the effect of mechanical coupling on fracture toughness values of a material containing mesosegregations. The model parameters were adjusted using finite element simulations and in agreement with the experimental results (morphology and fracture toughness of the mesosegregations).Les aciers faiblement alliés constitutifs des composants lourds des réacteurs à eau sous pression sont susceptibles de contenir des hétérogénéités chimiques appelées ségrégations. Les ségrégations sont formées au moment de la solidification du métal et se retrouvent à différentes échelles dans le lingot (macro, méso et micro). Après le forgeage du lingot et de nombreux traitements thermiques, les ségrégations demeurent dans le matériau et impliquent des gradients de microstructure et de propriétés mécaniques au sein de la pièce finale. Cette étude vise à évaluer l'effet de la présence de telles hétérogénéités à l'échelle mésoscopique (mésoségrégations) sur la ténacité du matériau aux basses températures (proches du T0 estimé de la Master Curve).Il n'existe pas à ce jour d'étude quantitative et statistiquement représentative de la morphologie et de la distribution des mésoségrégations dans ces aciers ségrégés. De plus, la ténacité intrinsèque des mésoségrégations demeure méconnue du fait de leur taille relativement faible et de la difficulté de les identifier avec précision. Dans cette étude, la caractérisation de l'acier ségrégé à l'aide d'analyses chimiques, métallographiques et d'essais de microdureté a montré que les mésoségrégations avaient une forme de disque, avec une épaisseur moyenne de 220 µm, un diamètre d'environ 5 mm et une distance moyenne de 1,5 mm entre deux mésoségrégations.L'utilisation d'éprouvettes de ténacité miniatures (CT4) nous a permis de positionner les fronts de préfissure des éprouvettes à l'intérieur ou à l'extérieur des mésoségrégations (de manière ciblée ou délibérément de manière aléatoire) afin de favoriser l'amorçage de la rupture dans ces zones d'intérêt. Les valeurs de ténacité ont ainsi pu être corrélées à la zone d'amorçage et aux mécanismes de rupture locaux. Nous avons montré que, statistiquement, l'amorçage de la rupture à l'intérieur d'une mésoségrégation conduisait à une ténacité plus faible que lorsque qu'elle est amorcée à l'extérieur de celle-ci (la valeur de ténacité médiane dans une mésoségrégation correspond au 10ème percentile des valeurs à l'extérieur d'une mésoségrégation, soit 50 MPa√m à -90°C). Cependant, les valeurs des points bas sont similaires, quelle que soit la zone d'amorçage et la différence entre les distributions de ténacité réside dans les points hauts. De plus, nous avons montré que pour ce matériau contenant peu de soufre et de phosphore, le type de rupture est quasi exclusivement du clivage transgranulaire, même lorsque la rupture se produit dans une mésoségrégation. Des analyses EDS au niveau des sites d'amorçage ont montré que les particules responsables de la majorité des ruptures sont des carbures enrichis en molybdène et en manganèse ayant une taille comprise entre 2 et 5 µm. Ces carbures sont systématiquement localisés au bord d'une facette de clivage donc près d'un joint de forte désorientation.Un modèle bimodal d'approche locale de la rupture (sur la base du modèle de Beremin) a été développé pour explorer les effets de couplage mécanique entre les deux zones et les distributions des valeurs de ténacité d'un matériau comportant des mésoségrégations. Les paramètres du modèle ont été déterminés grâce à des simulations par éléments finis et en accord avec les résultats expérimentaux (morphologie et ténacité des mésoségrégations)
Réservoirs quantiques et qubits bosoniques : dompter l'environnement
No full textWhen a quantum system interacts with its environment, these unmonitored interactions no longer allow modeling the evolution of this system as reversible: the reversibility is broken by the leakage of information from the system. From the modeling point of view, in the case of a weakly coupled Markovian environment, the Schrödinger equation gives way to a Gorini–Kossakowski–Sudarshan–Lindblad equation, where dissipative terms bear witness of the impact of the environment on the dynamics of the system. At first sight, dissipative processes are the source of quantum decoherence and limit the timescale over which a given system can be controlled. On the other hand, the availability of dissipative processes also opens new avenues, not the least of which being the stabilization of quantum systems. In practice, one usually cannot choose the dissipative processes at work nor their steady states; however, assuming sufficiently rich interactions can be engineered, existing dissipative processes can sometimes be hijacked to emulate inaccessible nonphysical dissipative processes. The environment then goes from spectator to ally. This strategy is known as quantum reservoir engineering and can be traced back to the seminal work of Alfred Kastler on optical pumping. Here, we study the applications of reservoir engineering for quantum information processing. We consider in particular the stabilization of two bosonic quantum error correction codes: the Gottesman–Kitaev–Preskill code and the cat code.Lorsqu’un système quantique interagit avec son environnement, ces interactions incontrôlées ne permettent plus de modéliser sa dynamique par une évolution réversible : la réversibilité est brisée par la fuite d’information hors du système. Du point de vue de la modélisation, dans le cas d’un couplage faible et Markovien à l’environnement, l’équation de Schrödinger est remplacée par une équation de Gorini–Kossakowski–Sudarshan–Lindblad. Des termes dissipatifs y rendent compte de l’impact de l’environnement sur la dynamique du système. À première vue, ces phénomènes dissipatifs sont source de décohérence quantique et limitent l’échelle de temps sur laquelle un système donné peut être contrôlé. Néanmoins, la présence de phénomènes dissipatifs ouvre également de nouvelles possibilités, au premier rang desquelles celle de stabiliser le système. En pratique, il n’est possible de choisir ni les phénomènes dissipatifs à l’œuvre ni leurs états d’équilibre. Si l’on sait créer des interactions suffisamment riches entre systèmes, il est toutefois possible de détourner les phénomènes existants pour imiter un phénomène dissipatif non physique choisi. L’environnement n’est alors plus un spectateur mais un allié. Cette stratégie, connue sous le nom d’ingénierie de réservoir quantique, remonte aux travaux pionniers d’Alfred Kastler sur le pompage optique. Nous étudions ici les applications de l’ingénierie de réservoir au traitement de l’information quantique. Nous nous intéressons en particulier à la stabilisation de deux codes bosoniques de correction d’erreur quantiques : le code de Gottesman-Kitaev-Preskill et le code de chat
Cinétique de coalescence des émulsions millimétriques
No full textIn petroleum production, the surfactants present in crude oil generate inverse emulsions (e.g., droplets of water suspended in oil). Their high stability leads to a layer of concentrated millimetric emulsion (rich in water content) appearing in pipelines and industrial separators. Its sheer presence makes transport and subsequent separation processes capital expenditures intensive.We propose an original milli-fluidic methodology to study the formation and destabilization kinetics of a concentrated emulsion. Understanding both phenomena is crucial to optimizing separation efficiency. This Bottom-Up approach is based on forming an emulsion drop-by-drop and mimics open reactors as a gravity separator. It allows for working with millimetric-scale monodisperse emulsions with radii spanning almost an order of magnitude (from 0.2 to 1.5 mm), eliminating the coupling between coalescence and sedimentation. The methodology enables studying unsaturated with surfactant interfaces, unlike the Top-Down approach of conventional bottle tests where the emulsion is prepared by mechanical agitation in a closed container.A typical experiment includes two stages: the generation of a concentrated emulsion, where droplets accumulate in a container prefilled with water and oil, and its evolution once the arrival of drops has stopped. Spatio-temporal diagrams are used to analyze the evolution of the two interfaces separating the concentrated emulsion from the free water and oil, respectively.Our study on the model fluids shows that after a drainage step, coalescence occurs mainly at the water-emulsion interface, where the droplet volume fraction is highest. A confined pendant drop model is used to describe the meniscus forming between the emulsion and the free water and to determine the kinetic evolution of the droplet volume fraction within it. A constant coalescence rate is observed for a given droplet size at and above the critical micellar concentration (CMC), while below the CMC the dynamics are more complex. Surfactant accumulation and the T1 process are suggested as the main causes of the complex dynamics in low-concentration emulsions. For surfactant-saturated interfaces, coalescence is stochastic and its rate per unit area is constant over the studied droplet range. The addition of a water-soluble surfactant accelerates destabilization.The obtained results differ significantly from previous studies carried out on droplets with a diameter of less than 50 microns, indicating that the disjoining pressure is a key parameter determining the coalescence frequency. Finally, the proposed approach also paves the way for the development of a faster screening method for demulsifying additives.Dans la production pétrolière, les tensioactifs présents dans le brut conduisent à la formation de gouttelettes d’eau en suspension dans l’huile. La grande stabilité de ces gouttelettes conduit dans les pipelines et les séparateurs à l’apparition d’une couche d’émulsion concentrée (à forte fraction volumique d’eau) très préjudiciable en termes de coût pour le transport et la séparation.Nous proposons ici une méthodologie milli-fluidique originale pour étudier les cinétiques de formation et de destruction d’une telle émulsion concentrée, dont la compréhension est cruciale pour optimiser l'efficacité de la séparation. L’approche Bottom-Up basée sur la formation d’une émulsion par accumulation goutte à goutte mime les réacteurs ouverts que sont les séparateurs gravitaires réels. Elle permet de travailler avec des émulsions monodisperses millimétriques sur une gamme de rayons allant de 0,2 à 1,5 mm, de s’affranchir du couplage entre coalescence et sédimentation et d’étudier ainsi des interfaces non saturées en tensio-actifs contrairement à l’approche Top-Down des bottle-tests classiques où l’émulsion est préparée par agitation mécanique dans un container fermé.Une expérience typique comprend deux étapes : la génération d'une émulsion concentrée, où les gouttes s'accumulent dans un récipient pré-rempli d’huile et d’eau et son évolution une fois l’arrivée des gouttes stoppée. Des diagrammes spatio-temporels sont utilisés pour analyser l'évolution des deux interfaces séparant l’émulsion de l’eau et de l’huile libres, respectivement.Notre étude menée sur un système de fluides modèles montre qu’après une étape de drainage, la coalescence se produit principalement à l'interface eau-émulsion, là où la fraction volumique des gouttes est la plus importante. Un modèle de goutte pendante confinée permet de décrire le ménisque se formant entre l’émulsion et l’eau libre et de déterminer l’évolution cinétique de la fraction volumique des gouttelettes en son sein. À taille de goutte donnée, le taux de coalescence observé est constant pour des concentrations égales ou supérieurs à la concentration micellaire critique (CMC). En dessous de la CMC, la dynamique de déstabilisation est plus complexe possiblement du fait, de l'accumulation de tensioactif à l’interface avec l’eau libre et de processus T1 observés. Pour les interfaces saturées en tensio-actifs, la coalescence est stochastique et sa fréquence par unité de surface est constante sur toute la gamme des tailles de goutte étudiée. L'ajout d'un tensioactif soluble dans l’eau accélère la déstabilisation.Les résultats obtenus différent sensiblement des études antérieures menées sur des gouttes de diamètre inférieur à 50 microns, soulignant le rôle important de la pression de disjonction sur le taux de coalescence. Enfin, l’approche proposée ouvre également la voie vers une méthode du screening d’additifs désémulsifiant plus rapid
Caractérisation sismique et évaluation des effets de site pour le site de Byblos au Liban
No full textFollowing an earthquake, seismic waves propagate from the hypocenter to the surface. They are affected by the geological structure and topography of the layers near the surface. This phenomenon is called the site effect. An amplification or deamplification of the amplitude of these waves can occur, potentially causing the failure of surface structures. Moreover, since the geometry and geology of the sedimentary layer can vary over short distances, the nature and intensity of the seismic events can differ significantly, even over small areas. This work explores the results of field measurements. Then, a numerical study is conducted using FLAC 2D software on a soil structure with the same topography as that of Byblos, applying the geological data obtained after analyzing the field data, in order to study the numerical surface response and compare the numerical and experimental results.Suite à un séisme, des ondes sismiques se propagent du foyer vers la surface. Elles sont affectées par la structure géologique et topographique des couches proches de la surface. Ce phénomène est appelé effet de site. Une amplification ou dé-amplification de l'amplitude de ces ondes peut se produire, causant potentiellement la rupture des structures en surface. De plus, comme la géométrie et la géologie de la couche sédimentaire peuvent varier sur de petites distances, la nature et l'ampleur des séismes peuvent varier de manière significative même sur des surfaces restreintes. Ce travail explore les résultats des mesures de terrain. Ensuite, une étude numérique est réalisée à l'aide du logiciel FLAC 2D sur une structure de sol ayant la même topographie que celle de Byblos, en appliquant les données géologiques obtenues après l'analyse des données de terrain, afin d'étudier la réponse numérique en surface et de comparer les résultats numériques et expérimentaux
Modélisation de l'impact sur le système électrique de la décarbonation de l'industrie
No full textIndustrial greenhouse gas (GHG) emissions contribute significantly to global warming, making decarbonisation crucial for climate change mitigation. However, transitioning to a low-carbon industry is complex due to uncertainties around energy prices, resource availability, and technological maturity. Electrification of industrial processes is key to reducing emissions but will drive up electricity demand, necessitating grid adaptation and continued decarbonisation. Sectors like steelmaking and chemicals need specific technologies, such as carbon capture, utilisation, and storage (CCUS), and decarbonised hy-drogen. Synergies between industry and energy systems are essential to achieving net-zero emissions in Europe. However, increased electricity and hydrogen demand could raise overall energy consumption and prices. Cross-border hydrogen trade may alleviate these disparities. Successful industrial decarbonisation will require coherent industrial and energy policies to avoid regional imbalances and ensure competitiveness. Robust European policies and strategies are crucial for a successful transition.Les émissions de gaz à effet de serre (GES) industrielles contribuent de manière significative au réchauffement climatique, rendant la décarbonation essentielle pour atténuer les changements climatiques. Cependant, la transition vers une industrie bas-carbone est complexe en raison des incertitudes liées aux prix de l’énergie, à la disponibilité des ressources et à la maturité des technologies. L’électrification des processus industriels est cruciale pour réduire les émissions, mais elle entraînera une augmentation de la demande en électricité, nécessitant une adaptation du réseau et la poursuite de sa décarbonation. Des secteurs comme la sidérurgie et la chimie nécessitent des technologies spécifiques, telles que la capture, l’utilisation et le stockage du carbone (CCUS), ainsi que l’hydrogène décarboné. Les synergies entre l’industrie et le système énergétique sont essentielles pour atteindre la neutralité carbone en Europe. Toutefois, l’augmentation de la demande en électricité et en hydrogène pourrait faire grimper la consommation d’énergie et les prix. Les échanges transfrontaliers d’hydrogène pourrait atténuer ces disparités. Une décarbonation réussie de l’industrie nécessitera des politiques industrielles et énergétiques cohérentes pour éviter les déséquilibres régionaux et garantir la compétitivité. Des politiques robustes à l’échelle européenne sont indispensables pour assurer une transition réussie
Analyse théorique et numérique de modèles statiques et dynamiques en calcul de structure électronique
No full textThis thesis focuses on the study of three quantum models for electronic structure calculation: a method for ground-state calculation on complex molecules, a nonlinear model of a molecule in a weak electric field and a periodic crystal containing a localized defect.In chapter I, we study the DMET (Density Matrix Embedding Theory) algorithm. This numerical chemistry method calculates the ground state of large molecules using a mean-field and molecule fragmentation strategy. We prove DMET's exactness in the non-interacting case, and first-order accuracy in the weakly interacting case. We establish criteria to guarantee the convergence of the algorithm, in particular with respect to the choice of the fragments.In chapter II, we study the linear response in a TDDFT (Time Dependent Density Functional Theory) model. In this model, widely used in quantum chemistry, the Hamiltonian includes terms which depend on the average electron density. We start from a stationary state which is a local minimum of the energy, and we perturb it with a weak time-dependent electric field. We prove that the Schrödinger equation is well-posed and give the evolution of the solution at first order relatively to the amplitude of the perturbation. This linearized dynamics gives access to the system's electronic density response. We prove that this linear response includes resonances close to the Hamiltonian's excitation energies in the stationary state, and we give an estimation of the imaginary part of these resonances using a Fermi golden rule.In chapter III, we propose a method for calculating the meromorphic extension of the resolvent of non-interacting Hamiltonians in solids. For a periodic Hamiltonian, the resolvent can be expressed as an integral in reciprocal space over the Brillouin zone. Our method relies on a complex deformation of the path of this integral. The poles of the numerically obtained resolvent are shifted from the real axis to the lower complex plane. This makes it possible to calculate the electronic density of states (DOS) of the system without the need for artificial dissipation. This method can also be used to calculate the position of resonances in a crystal when a localized defect is added. These resonances appear as poles in the meromorphic extension of the resolvent of the Hamiltonian to the complex inferior plane. We obtain it by combining the Brillouin zone deformation method with a Dyson formula.Cette thèse porte sur l'étude de trois modèles quantiques pour le calcul de structure électronique: une méthode de calcul d'état fondamental sur des molécules complexes (DMET), un modèle non-linéaire de molécule dans un faible champ électrique (TDDFT) et un cristal périodique contenant un défaut localisé.Dans le chapitre I, nous étudions l'algorithme DMET (Density Matrix Embedding Theory). Cette méthode de chimie numérique calcule l'état fondamental de grosses molécules grâce à une stratégie de champ moyen et de fragmentation de la molécule. Nous prouvons l'exactitude de DMET dans le cas non-interagissant et l'exactitude au premier ordre dans le cas faiblement interagissant. Nous établissons des critères pour garantir la convergence de l'algorithme, en particulier concernant le choix de fragmentation de la molécule.Nous étudions dans le chapitre II la réponse linéaire d'un modèle de TDDFT (Time Dependent Density Functional Theory). Dans ce modèle très utilisé en chimie quantique, le Hamiltonien comporte des termes dépendant de la densité electronique moyenne. Nous partons d'un système stationnaire qui minimise l'énergie et nous le perturbons avec un faible champ électrique. Nous prouvons que l'équation de Schrödinger est bien posée et nous établissons sa dynamique au premier ordre relativement à l'amplitude de la perturbation. La dynamique linéarisée donne accès à la réponse linéaire en densité électronique du système. Nous prouvons que cette réponse linéaire comporte des résonances proches des energies d'excitation du Hamiltonien dans l'état stationnaire et nous donnons une estimation de la partie imaginaire de ces résonances grâce à la règle d'or de Fermi.Dans le chapitre III, nous proposons une méthode pour le calcul du prolongement méromorphe de la résolvante des Hamiltoniens non-interagissants dans les solides. Pour un tel Hamiltonien périodique, la résolvante peut s'écrire sous la forme d'une intégrale en espace réciproque sur la zone de Brillouin. Notre méthode s'appuie sur une déformation complexe du chemin de cette intégrale. Les pôles de la résolvante obtenue numériquement sont déplacés depuis l'axe réel vers le plan complexe inférieur. Cela permet de calculer la densité d'états (DOS) du système sans avoir recours à une dissipation artificielle. Cette méthode permet également de calculer la position de résonances du cristal lorsqu'on y ajoute un défaut localisé. Pour cela, le prolongement méromorphe de la résolvante du système comportant le défaut est calculé en combinant la méthode de déformation de la zone de Brillouin avec une formule de Dyson
Analyse expérimentale et modélisation par champs de phase du couplage mécanique/diffusion
No full textThe objective of this work is to model the strong coupling between mechanical loading and microstructure under complex loading conditions. As a first step, we develop a comprehensive theoretical analysis of coupling for the general case. Experimental tests have been carried out on the basis of simplified diffusion couples so as to illustrate the role of plasticity. Then, an example of industrial application where these couplings impact the behavior is the case of Nickel-based single crystals bearing high temperature loading. It has been observed that at high temperature and under mechanical loading, the precipitates γ' coalesce anisotropically to form a lamellar structure of rafts in cubic planes of type {100}, this phenomenon is called rafting. These microstructure evolutions are not only due to the diffusion process, but also to the thermomechanical loads applied. The phase field method will be used to model the evolution of the microstructure, taking into account the strong coupling between mechanical loadings, phase transformation and diffusion of chemical species. Ni-Al binary system with two phases γ (Ni) and γ' (Ni_3Al) was considered for the study of this case. Different types of loading were simulated such as creep, fatigue and fatigue-creep in order to study their effects on phase morphology, volume fraction and transformation kinetics. Oxidation on thin walls of nickel-based monocrystalline superalloys in the presence of mechanical loadings led to the appearance of a depletion zone where a dissolution of the gammaprime precipitates occurred. These effects are simulated with the numerical model developed. In addition, experimental observations are made with industrial materials and model materials to highlight the mechanisms of this coupling.L'objectif de ce travail est de modéliser le couplage fort entre le chargement mécanique et la microstructure dans des conditions de chargements complexes. On développe d'un point de vue théorique les bases thermodynamiques de tels couplages. D'un point de vue expérimental, on teste des couples de diffusion simples, de sorte à mettre en avant ces couplages, notamment pour clarifier le rôle de la plasticité sur la diffusion. Comme exemple d'application industrielle, on s'intéresse au cas des superalliages monocristallins à base de Nickel. Il a été observé qu'à haute température et sous chargement mécanique, les précipités γ' coalescent de manière anisotrope pour former une structure lamellaire de radeaux dans des plans cubiques de type {100}, ce phénomène est appelé la mise en radeaux. Ces évolutions de microstructure pendant la mise en radeaux n'est pas seulement due au processus de diffusion, mais aussi aux chargements thermomécaniques appliqués. La méthode du champ de phase sera utilisée pour modéliser l'évolution de la microstructure, en tenant compte du fort couplage entre les chargements mécaniques, la transformation de phase et la diffusion des espèces chimiques. Un système binaire Ni-Al avec deux phases γ (Ni) et γ' (Ni_3Al) a été considéré pour l'étude de ce cas. Différents types de chargements ont été simulés tels que le fluage, la fatigue et la fatigue-fluage afin d'étudier leurs effets sur la morphologie des phases, sur leur fraction volumique et sur la cinétique de transformation. L'oxydation de parois minces de superalliages monocristallins à base de Nickel en présence de chargements mécaniques a engendré l'apparition d'une zone de déplétion où une dissolution des précipités γ' a eu lieu. Ces effets sont simulés avec le modèle numérique développé. De plus, des observations expérimentales sont réalisées sur des matériaux industriels et des matériaux modèles afin de mettre en évidence les mécanismes de ce couplage