Fragmentation dynamics of biomolecules in gas phase and water environment

• Main Author: López-Tarifa, Pablo
• Other Authors: Evry-Val d'Essonne
• Language: en
• Published: 2011
• Subjects: Radiations
• Online Access: http://www.theses.fr/2011EVRY0009/document

De nos jours, les ions rapides lourdes sont devenues une alternative réussie à rayons X traditionnels pour le traitement du cancer. Leur région d’haute perte d'énergie (pic de Bragg) permet de définir avec précision la profondeur tissulaire a la quelle on dépose le maximum d'énergie. Malheureusement, les espèces chimiques résultant de l'irradiation, qui pourraient conduire à la morte cellulaire, ne peuvent pas être établies expérimentalement car les processus se produisent dans une échelle de temps très court (≈ 1 à 100 fs). Simulations de Dynamique Moléculaire (MD) ont démontré être un outil bien adapté à élucider ces mécanismes, cependant, jusqu'à présent seules quelques études ont porté sur ces processus primaires. Dans cette thèse, nous appliquons une combinaison de Time-Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) et MD Born-Oppenheimer (BO) MD méthodes pour enquêter sur la fragmentation de l'uracile doublement chargé, la pyrimidine et les clusters d'eau provenant d’ionisations coque interne. L'état initial doublement chargé s’obtient en enlevant les deux électrons d’un orbital de Kohn-Sham particulier ou d’un orbital de Wannier pour les espèces neutres. La densité électronique évolue sous l’approximation Ehrenfest pour MD, où le champ moyen d'énergie potentielle qui conduit la dynamique nucléaire est calculé au niveau TD-DFT (par la propagation des équations de Kohn-Sham dépendant du temps), et les forces nucléaires sont calculées utilisant le théorème de Hellmann-Feynman. Lorsque la dynamique devient essentiellement adiabatique, le système est changé à une dynamique MD BO en état fondamental et prolongé pour autour de ≈ 100fs. === Nowadays, swift heavy ion beams have become a successfully alternative to traditional X-Ray radiation for cancer treatment. Their high energy loss region (Bragg peak) allows to target the maximum deposited energy at a selected body depth. Unfortunately, the chemical species resulting from the irradiation, which might lead to the cell death, cannot be established by experiments since these processes occur in a very short time scale (≈ 1 - 100 fs). Molecular Dynamics (MD) simulations have demonstrated to be a well-suited tool to unravel such mechanisms, however, so far only a few studies have focused on these primary processes. In the present thesis we apply a combination of Time-Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) MD and Born-Oppenheimer (BO) MD methods to investigate the fragmentation of doubly-charged uracil, pyrimidine and small water clusters arisen from inner shell ionizations. The initial doubly charged state is obtained by removing two electrons from a specific Kohn-Sham or Wannier orbital of the neutral species. The electronic density evolves within the so-called Ehrenfest MD approximation where the mean field potential energy surface driving the nuclear dynamics is computed at the TD-DFT level (by propagation of the time-dependent Kohn-Sham equations), and nuclear forces are computed using the Hellmann-Feynman theorem. When the dynamics becomes essentially adiabatic, the system is switched to a ground state BO MD and extended up to ≈ 100fs.