Modélisation de l'interface eau-nanoparticule pour rationaliser la production de radicaux sous rayonnement ionisant

par Rika Tandiana

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Carine Clavaguera.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes , en partenariat avec Institut de Chimie Physique (laboratoire) , TheoSim (equipe de recherche) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    La simulation moléculaire est largement utilisée de nos jours pour interpréter et comprendre les résultats expérimentaux en chimie. Les descriptions aux niveaux quantique et classique fournissent un cadre théorique pour calculer les propriétés physiques et chimiques permettant de relier le comportement microscopique au comportement macroscopique. Le développement de nouvelles méthodes ou de nouveaux modèles incombe aux théoriciens qui élaborent des modèles explicatifs et créent des modèles prédictifs pour étudier de nouveaux phénomènes. Le goulot d'étranglement au niveau de la simulation est souvent la taille des systèmes mais également les échelles de temps requises pour obtenir des données quantitatives et précises pouvant être comparées aux données expérimentales. Une description théorique de la réactivité chimique à la surface des nanoparticules sous rayonnement ionisant représente toujours un défi du point de vue calculatoire et constitue l'objet de ce projet de thèse. Au cours des dernières années, un effort de recherche importants a été consacré à la compréhension du mécanisme à l'origine de l'activité de radiosensibilisation des nanoparticules (NPs), tels que les NPs d'or, les NPs de platine, les NPs d'argent et d'autres, y compris les nanodiamants, dans le but d'applications potentielles en nanomédecine. Une collaboration a débuté en 2018 avec C. Sicard et E. Brun (groupe de biophysique du LCP), qui possèdent une longue expérience de l'étude des interactions des NPs. Un protocole expérimental a été mis en place pour quantifier les espèces radicalaires produites lors de l'interaction des rayonnements ionisants avec les NPs d'or. Il a mis en évidence le rôle fondamental de l'interface eau-nanoparticule. Elles ont proposé l'idée que l'interface entre les nanoparticules d'or et l'eau joue un rôle important dans l'augmentation de la production de radicaux. Nous aimerions donc mettre en œuvre des simulations moléculaires pour identifier les phénomènes de solvatation qui se produisent à l'interface liquide / solide entre l'eau et une nanoparticule sous irradiation. Ces simulations fourniront des données mécanistiques sur la production de radicaux et la réactivité chimique qui en résulte. Dans ce projet, le candidat mettra en œuvre diverses méthodes de calcul, notamment des approches classiques, des approches basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et des approches de type Density Functional based Tight Binding (DFTB), afin de comprendre l'organisation structurale de l'eau à la surface des NPs et la réponse spectroscopique de cette organisation. Le développement de nouveaux modèles classiques tels que des champs de forces de nouvelle génération sera nécessaire pour améliorer la qualité de la description moléculaire des interactions pour des systèmes de cette taille à l'échelle nanométrique. Le candidat bénéficiera de l'expertise complémentaire des deux directrices de thèse en spectroscopie électronique et vibrationnelle et en développement de champs de forces. Des calculs au niveau DFT seront effectués pour obtenir le potentiel électrostatique des NPs et les indices de Fukui pour prédire la réactivité. L'obtention de ces propriétés constituera la première étape afin de proposer une explication de la réactivité de l'eau à la surface du NP et de rationaliser la production de radicaux. Une collaboration sera mise en place avec A. de la Lande du LCP qui développe de nouvelles méthodologies pour modéliser la dynamique électronique du système immédiatement après irradiation par des protons de haute énergie. Cette approche est couplée à un champ de forces polarisable pour manipuler des systèmes de grandes tailles tels que les NPs dans l'eau. Cette méthode nous permettra de suivre la dynamique de la densité électronique et de l'émission électronique du système irradié.

  • Titre traduit

    Modelling the water-nanoparticle interface and rationalizing radical production under ionizing radiation


  • Résumé

    Molecular simulations are widely used nowadays to interpret and understand experimental results in chemistry. Both quantum and classical descriptions provides a framework to compute physical and chemical properties for relating microscopic to macroscopic behavior. Development of new methods or models is the task of theoreticians building explanatory models and creating predictive models to study new phenomena. The computational bottleneck is often the size of the systems but also the simulation time requested to obtain quantitative and accurate data that can be delivered to experimentalists. A theoretical description of the chemical reactivity at the surface of nanoparticles under ionizing radiation still represents a challenge from a computational point of view and is the purpose of this thesis project. In the last few years, significant research effort has been put into the understanding of the mechanism behind the radiosensitizing activity of nanoparticles (NPs), such as gold NPs, platinum NPs, silver NPs, and many others including nanodiamonds, with intended application for nanomedicine. A collaboration began in 2018 with C. Sicard and E. Brun (Biophysics group at LCP) who have a long experience studying NP-interactions. An experimental protocol was established to quantify the radical species produced during the interaction of ionizing radiation with gold NPs and it highlighted the fundamental role of the interface between water and nanoparticle. They proposed that the interface between gold nanoparticles and water plays a significant role in the increased production of radicals. Hence, we would like to use molecular simulations to shed light on the solvation phenomena that occur at the liquid/solid interface between water and a nanoparticle while being irradiated. These simulations should provide mechanistic information into the radical production and the resulting chemical reactivity. In this project, the candidate will implement various computational methods, i.e. classical approaches, density functional theory (DFT) and tight binding density functional theory (DFTB) molecular dynamics, to understand the structural organization of water at the surface of the NPs, and the spectroscopic response of this organization. The development of new classical models such as new generation force fields will be necessary to improve the quality of the molecular description of the interactions for such large systems at the nanometer scale. The candidate will benefit from the complementary expertise of the two supervisors on electronic and vibrational spectroscopy and force field developments. DFT calculations will be performed to obtain the electrostatic potential of the NP and Fukui indices of the reactivity. Obtaining these properties will be the first step in order to propose an explanation for the water reactivity at the surface of the NP and to rationalize radical production. We will collaborate with A. de la Lande at LCP who develops new methodologies to be able to model the electron dynamics of the system immediately upon irradiation with high-energy protons. This approach is coupled to a polarizable force field to handle large systems such as NPs in water. This method will allows us to follow the dynamics of electron density, and electron emission of the irradiated system.