The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.

Conceptualisation et emploi du passé composé et de l'imparfait en français langue étrangère (L3) au Sri Lanka : l'impact du singhalais langue maternelle (L1) et de l'anglais langue seconde (L2)

Résumé: Notre étude chevauche deux domaines de recherche quasi indissociables : ceux de la linguistique et de la didactique des langues. Comme l'indique le sujet, elle examine la conceptualisation et l'emploi de deux notions aspecto-temporelles du français (le passé composé et l'imparfait), sous l'impact des connaissances grammaticales déjà acquises sur deux autres langues : le singhalais et l'anglais. Notre recherche relève des domaines de la psycholinguistique, de la linguistique acquisitionnelle et de la linguistique comparative. Toutefois, dans le cadre de cette étude, nous examinons ces notions grammaticales françaises et leurs équivalents présumés dans les deux autres langues comme étant des concepts relevant des langues à statuts sociaux spécifiques [à savoir, langue maternelle (L1), langue seconde (L2) et langue étrangère (L3)], dans un contexte particulier d'enseignement/apprentissage et d'acquisition de langue [à savoir, le contexte d'enseignement/apprentissage et d'acquisition du français langue étrangère (FLE) au Sri Lanka]. En ce sens, notre étude est également liée aux domaines de la sociolinguistique et de la didactique des langues, notamment, étrangères. Ce qui pourrait probablement distinguer cette recherche des autres, c'est qu'elle aborde certaines questions linguistiques et didactiques peu étudiées jusqu'ici. Entre autres, l'influence de deux langues sur l'enseignement/apprentissage d'une L3, l'enseignement/apprentissage des langues dans des contextes exolingues et le rôle des transferts dans la conceptualisation des notions grammaticales. Pourtant, lorsque nous avons choisi le contexte d'apprentissage du FLE au Sri Lanka comme terrain de recherche, nous avons également visé d'autres objectifs : examiner les systèmes verbaux de trois langues dont l'imbrication n'a pas encore été objet d'étude ; examiner le système verbal aspecto-temporel peu explicité du singhalais à la lumière des descriptions linguistiques occidentales ; vérifier certains préjugés concernant les liens de proximité et de distance entre les trois langues choisies et étudier les causes de ces préjugés. Notre corpus provient de plusieurs classes de FLE au Sri Lanka. Le public observé était constitué d'adolescents ou d'adultes bilingues ayant le singhalais en L1 et l'anglais en L2. Les cours choisis se distinguaient les uns des autres par plusieurs critères, mais travaillaient tous sur les notions du passé composé et de l'imparfait. A la conclusion de notre étude, nous avons constaté qu'un nombre important de nos hypothèses initiales se sont avérées véridiques. A titre d'exemples, les transferts entre les langues premières et la langue cible sont récurrents et non négligeables chez l'écrasante majorité des apprenants exolingues observés, et parfois, même chez leurs enseignants; si ces apprenants recourent à ces langues pour étayer leur apprentissage, ni leurs enseignants ni leurs manuels provenant de l'étranger ne les guident dans ce travail; les transferts ayant l'anglais pour origine l'emportent considérablement sur ceux provenant du singhalais. De même, suite à l'analyse contrastive des trois systèmes verbaux aspecto-temporels et à l'analyse du corpus, nous avons également eu un résultat imprévu : contrairement à une représentation répandue chez les apprenants singhalais, il existe des points convergents entre leur L1 et le français ; du moins, au niveau de l'emploi de certains temps du passé. Un fait dont on était jusqu'ici ignorants mais dont on peut sûrement profiter dans les cours de FLE au Sri Lanka. Suite à ces observations et à la fin de notre thèse, nous avons fait quelques recommandations didactiques afin d'améliorer les conditions d'enseignement/apprentissage des langues étrangères, au Sri Lanka et ailleurs. Abstract: Our research is related to the fields of both linguistics and didactics, two research areas which are almost inseparable. As the title shows, the thesis examines the issue of conceptualizing and using of two grammatical (aspectual and temporal) concepts of the French language (le passé composé and l'imparfait), under the influence of previously acquired grammatical knowledge of two other languages: Sinhalese and English. Thus, our research is linked to the domains of psycholinguistics, acquisitional linguistics and comparative linguistics. However, within the framework of this study, we will consider the above-mentioned two French grammatical concepts and their presumed equivalents in the other two languages as concepts belonging to three languages with specific social status [i.e. first language (L1), second language (L2) and foreign language (L3)], taught/learnt/acquired in a particular language teaching/learning context [the context of teaching/learning of French as a foreign language (FFL) in Sri Lanka]. In that sense, our study is also associated with the fields of sociolinguistics and language teaching, especially foreign language teaching. What could probably make this study outstanding is that it studies certain linguistic and didactic issues which have not yet been studied. For example, it examines, among other issues, the following: the influence of two languages (i.e. mother tongue -L1 & second language -L2) on the teaching/learning process of a third language (i.e. foreign language- L3); foreign language teaching and learning in an exolingual context (where the target language is not spoken outside the classroom); the role of language transfers in the process of grammatical notion conceptualization. However, in selecting the FFL teaching/learning context in Sri Lanka as our field of research, we had further objectives in mind : i.e. 1) studying the verb systems of three languages whose combination has never been studied before ; 2) studying the aspectual-temporal formation of the Sinhalese verb system (which is hardly taught explicitly) in the light of the linguistic descriptions of dominant European languages; 3) verifying certain preconceived ideas regarding the proximity and the distance between the three chosen languages, and 4) studying the causes for these preconceptions. Our corpus is obtained from a number of FFL classes in Sri Lanka. The observed student groups consisted of bilingual adolescents and adults whose first language (L1) was Sinhalese and the second language (L2) was English. The observed classes differed in many ways but in each of those classes, a common factor was that the students had been learning some aspect of the two grammatical concepts, le passé composé and l'imparfait. Having completed our study, we now see that a considerable number of our initial hypotheses are proven correct. For example, in the exolingual French language teaching/learning context in Sri Lanka where we carried out our research, language transfers between the first and target languages were recurrent and numerous in the work of the greater majority of the observed language learners, and even their teachers; these transfers were so frequent that they could hardly be ignored during the teaching/learning process ; although learners turned to their first languages to facilitate the learning process of a new language, neither their teachers, nor their text books helped them in this task; the transfers originating from English were far too numerous than those originating from Sinhalese; however, contrary to the popular belief among many Sinhalese learners of French, the contrastive analysis of the three aspectual-temporal verb systems and the study of our corpus helped us in proving that there are common linguistic features between the Sinhalese and the French languages ; at least, when it comes to using some of their past tenses. This is a fact which had been ignored up to now but which could probably be used to improve French teaching/learning in Sri Lanka. Taking all observations into account, we made some pedagogical recommendations in the concluding part of our thesis with the view of improving foreign language teaching/learning in Sri Lanka, and elsewhere.