Paris, 1er septembre 2013

Le paradoxe de la formation de la calotte polaire résolu
Le début de la dernière période glaciaire s'est caractérisé dans l'hémisphère Nord par une forte accumulation de neige aux hautes latitudes et la formation d'une immense calotte polaire. Ceci constituait un paradoxe pour les climatologues. En effet, les chutes de neige sont toujours associées à une forte humidité et à des températures relativement modérées. Une équipe française coordonnée par María-Fernanda Sánchez-Goñi, chercheur à l'EPHE1 travaillant au laboratoire « Environnements et paléoenvironnements océaniques et continentaux » (CNRS/Universités Bordeaux 1 & IV)2 vient de résoudre ce paradoxe. En analysant des carottes de sédiments datant d'il y a 80 000 à 70 000 ans, les chercheurs ont montré qu'au cours de cette période, la température des eaux du golfe de Gascogne est restée relativement élevée tandis que celle du continent européen a décru progressivement. Transportée vers le Nord par les vents, l'humidité dégagée par ce contraste thermique aurait provoqué les chutes de neiges qui ont formé la calotte glaciaire. Ces travaux sont publiés sur le site de Nature Geoscience le 1er septembre 2013.
Au cours des deux derniers millions d'années, la Terre a connu de longues périodes glaciaires séparées par de courtes périodes plus chaudes, les interglaciaires. Cette succession est causée par les changements d'insolation engendrés par des variations cycliques de la distance entre la Terre et le Soleil et par l'inclinaison et la direction de l'axe de notre planète par rapport à notre étoile. La dernière période glaciaire, qui a pris fin il y a 12 000 ans, a commencé il y a entre 80 000 et 70 000 ans. Cette époque est marquée par une variabilité climatique millénaire : elle s'exprime par de courtes périodes de refroidissement alternant avec des améliorations climatiques de moins en moins accentuées au fur et à mesure de l'entrée en glaciation.

Il y a 70 000 ans, suite à une réduction de l'insolation, le niveau de la mer a baissé de 80 mètres. Ceci montre qu'il y a eu une forte accumulation de neige aux hautes latitudes à l'origine de la calotte autour du pôle Nord. Or, les températures froides sont généralement associées à un temps sec et des précipitations rares. Pour qu'il y ait des chutes de neige, le temps doit être humide et la température modérément basse. Dans ces conditions, comment expliquer une accumulation de neige au pôle ?

Pour répondre à cette question, les chercheurs ont analysé des carottes de sédiments marins prélevées au large de la Galice (Espagne) et du golfe de Gascogne contenant du pollen et des foraminifères, des organismes marins microscopiques dotés d'un squelette calcaire. Les grains de pollen sont d'excellents indicateurs de la végétation et de la température du continent, tandis que les foraminifères renseignent sur la température de l'océan.

Les scientifiques ont ainsi pu reconstituer l'évolution de la végétation recouvrant la façade atlantique et celle des températures de l'océan Atlantique. Ils ont observé un étonnant découplage entre la température du golfe de Gascogne et celle du continent européen. Lorsque les températures étaient très froides sur le continent, l'océan est resté chaud, en particulier lors des périodes de refroidissement intense qui ont eu lieu lors de l'entrée en glaciation. Ce découplage correspond aux périodes où le Gulf Stream, puissant courant marin qui transporte vers le Nord les eaux chaudes du golfe du Mexique, est dirigé vers le golfe de Gascogne par des débâcles modérées d'icebergs provenant du Nord du continent américain. C'est ce contraste de température entre le golfe de Gascogne et le continent adjacent qui a dégagé une forte humidité : portée par les vents vers le pôle Nord, celle-ci aurait, selon les chercheurs, provoqué les importantes chutes de neige à l'origine de la calotte polaire.

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Paris, 5 février 2014

Des rubans de graphène hautement conducteurs à température ambiante

Des rubans de graphène où les électrons se déplacent librement, telle est la prouesse réalisée par une équipe internationale comprenant des chercheurs du CNRS, de l'Université de Lorraine et du synchrotron SOLEIL en France1, du Georgia Institute of Technology et du Oak Ridge National Laboratory aux Etats-Unis, de l'Université Leibniz en Allemagne. Après avoir imaginé une façon nouvelle et originale de synthétiser ces rubans, les scientifiques ont mis en évidence leur conductivité électrique exceptionnelle à température ambiante. Ces nanorubans ouvrent des perspectives prometteuses pour l'électronique de pointe. Ces travaux sont publiés le 5 février 2014 sur le site de la revue Nature.
Le graphène est un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone au potentiel exceptionnel. En effet, une feuille de graphène s'avère près d'un million de fois plus fine qu'un cheveu, plus résistante à la rupture que l'acier, tout en étant très légère. Physiquement, elle se présente sous la forme alvéolée d'un treillis en nid d'abeille. En empilant des feuilles de graphène, on obtient le graphite (le matériau gris constituant les mines de crayons). Le graphène est en outre doté d'une très bonne conductivité électrique : les électrons s'y déplacent jusqu'à 200 fois plus vite à température ambiante que dans le silicium. Son énorme potentiel en électronique explique pourquoi il est étudié sous toutes les coutures.

Une collaboration de physiciens franco-américains s'intéresse depuis le début des années 2000 à ses propriétés électroniques. Leur principal objectif est de concevoir un matériau de très grande mobilité électronique à température ambiante. Les chercheurs ont démontré il y a quelques années que les nanotubes de carbone, l'une des formes de graphène les plus connues, peut transporter le courant électrique de manière balistique, c'est-à-dire sans atténuation au sein du matériau. Mais les nanotubes de carbone s'avèrent complexes à fabriquer et à insérer en très grand nombre sur une puce électronique. C'est pourquoi les chercheurs se sont tournés vers une autre forme de graphène : des rubans « plats ». Les similitudes de structure électronique entre nanotubes de carbone et rubans de graphène laissaient présager des propriétés de conduction analogues.

Les chercheurs ont choisi de synthétiser ce graphène à une dimension à partir d'un cristal facilement disponible dans le commerce, le carbure de silicium. Grâce à un procédé ingénieux, ils ont réussi à obtenir des rubans de graphène d'une très grande qualité structurale, formés d'un « feuillet » de carbone très étroit, de 40 nm de large. La prouesse a été de conserver des bords de ruban très organisés. Il s'agit d'un élément primordial car un ruban de graphène aux bords rugueux ne permet pas une bonne propagation électronique. Pour avoir des rubans réguliers même au bord, l'astuce a été de creuser des tranchées de profondeur nanométrique dans le carbure de silicium puis de fabriquer directement les rubans de graphène à partir des plans verticaux de ces tranchées.

Pour les scientifiques, le résultat a été au-delà de leur espérance. En effet, quand ils ont caractérisé les rubans de graphène ainsi conçus, ceux-ci se sont révélés conducteurs balistiques à température ambiante : une fois dans le matériau, les électrons s'y déplacent de manière libre sans subir de collision. Les rubans se comportent donc comme des « guides d'onde ». La mobilité des charges dans ces matériaux atteint plus de un million de cm2/V.s. Leur mobilité électrique serait ainsi 1000 fois plus importante que celle des semi-conducteurs en silicium (mobilité inférieure à 1700 cm2/V.s) utilisés notamment dans les processeurs et mémoires d'ordinateurs. Il s'agit des premiers rubans de graphène dotés d'une telle conductivité à température ambiante.

Autre spécificité : ces rubans peuvent être produits facilement et en grande quantité tout en conservant les mêmes propriétés. Ce qui rend leur utilisation à grande échelle possible. De par leur exceptionnelle conductivité électronique à température ambiante, ces nouveaux rubans de graphène pourraient permettre de nombreuses applications en nanoélectronique de pointe.

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25 février 2014

« Energie solaire » : le nouveau dossier multimédia CNRS/sagascience

Où en est l'exploitation de l'énergie solaire en France et dans le monde ? Quelles technologies permettront son développement ? Quels en sont les freins ? Quelles sont les dernières avancées scientifiques dans ce domaine ? Le vingtième dossier de la collection CNRS/sagascience s'intéresse à l'énergie solaire et à son devenir, dans le contexte du débat national sur la transition énergétique. Cette animation grand public offre des clés pour comprendre les enjeux liés à l'utilisation de cette énergie, qui aurait le potentiel de couvrir largement nos besoins énergétiques, à condition de pouvoir la convertir efficacement et à faible coût.
« Energie solaire » est en ligne sur le site : www.cnrs.fr/solaire
Ce dossier multimédia est organisé en trois parties. Les premières sont consacrées aux deux grandes voies d'utilisation de l'énergie solaire :
- la filière thermique, qui convertit le rayonnement solaire en énergie thermique permettant de chauffer, refroidir et produire de l'électricité,
- la filière photovoltaïque, qui convertit directement le rayonnement solaire en électricité grâce à l'effet photoélectrique. 
Le dossier permet de revenir sur l'histoire et le développement de chacune de ces filières puis de découvrir les recherches menées dans les laboratoires du CNRS et les derniers résultats scientifiques associés. La troisième partie, intitulée « les chiffres du solaire », est une infographie interactive qui illustre le poids réel de cette énergie dans la production de l'énergie mondiale. 
Trois animations simples et didactiques complètent ce dossier et expliquent le fonctionnement :
-    d'une centrale thermique à concentration à tour
-    d'une centrale thermique à miroirs cylindro-paraboliques
-    d'une cellule photovoltaïque

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Paris, 03 MARS 2014

La plasticité du manteau terrestre enfin expliquée

Le manteau terrestre constitue une enveloppe solide animée de lents et constants mouvements de convection. Comment les roches se déforment-elles pour permettre un tel mouvement alors que les minéraux tels que l'olivine -constituant principal du manteau supérieur- ne présentent pas assez de défauts dans leur structure cristalline pour expliquer les déformations observées dans la nature ? Une équipe menée par l'Unité matériaux et transformations (CNRS/Université Lille 1/Ecole nationale supérieure de chimie de Lille), vient d'apporter une explication inattendue à cette question. Celle-ci met en jeu des défauts cristallins très mal connus et jusqu'alors jamais pris en compte, appelés « désinclinaisons », situés à l'interface entre les grains minéraux qui composent les roches. En prenant comme cas d'étude l'olivine, les chercheurs sont parvenus pour la première fois à visualiser ces défauts et à modéliser le comportement des joints de grains face à une contrainte mécanique. Ces résultats qui viennent d'être publiés dans Nature dépassent largement le cadre des géosciences : ils apportent un outil nouveau et extrêmement puissant à l'étude de la dynamique des solides et aux sciences des matériaux en général.
La Terre évacue sa chaleur en continu grâce aux mouvements de convection qui animent le manteau terrestre sur lequel reposent les continents. Comprendre cette convection est donc primordial pour l'étude de la tectonique des plaques. Le manteau est constitué de roches solides. Pour que celui-ci puisse s'animer de mouvements de convection, il est nécessaire que la structure cristalline de ses roches puisse se déformer. Ceci constituait jusque-là un paradoxe que la science n'arrivait pas tout à fait à résoudre. En effet, les défauts de la structure des cristaux, appelés dislocations, qui expliquent très bien la plasticité des métaux, n'étaient pas suffisants pour expliquer les déformations que subissent certaines roches du manteau.

Les chercheurs imaginaient bien que la solution était à chercher au niveau des interfaces des grains minéraux qui composent les roches. Cependant, ils manquaient d'outils conceptuels pour décrire et modéliser le rôle joué par ces parois entre les grains dans la plasticité des roches. Les chercheurs de l'Unité matériaux et transformations (CNRS/Université Lille 1/Ecole nationale supérieure de chimie de Lille) en collaboration avec ceux du laboratoire Géosciences Montpellier (CNRS/Université Montpellier 2) et du Laboratoire d'étude des microstructures et de mécanique des matériaux (CNRS/Université de Lorraine/Arts et Métiers ParisTech/Ecole Nationale d'Ingénieurs de Metz) ont réussi à expliquer ce rôle. En effet, ils ont montré que la structure cristalline des interfaces entre les grains présente des défauts très particuliers appelés « désinclinaisons », défauts qui n'avaient jusqu'à présent jamais été pris en compte. Les chercheurs sont parvenus à les observer pour la première fois sur des échantillons d'olivine (qui constitue jusqu'à 60% du manteau supérieur), grâce à un microscope électronique et un traitement spécial des images. Puis, ils sont allés plus loin : à l'aide d'un modèle mathématique de ces « désinclinaisons », ils ont démontré que celles-ci expliquaient la plasticité de l'olivine. En appliquant des contraintes mécaniques, les « désinclinaisons » permettent aux joints de grains de se déplacer, et donc à l'olivine de se déformer dans n'importe quelle direction. Ainsi, écoulement et rigidité du manteau ne sont plus incompatibles.

Ces travaux vont bien au-delà de l'explication de la plasticité des roches du manteau terrestre. Il s'agit d'une avancée majeure en sciences des matériaux. La prise en compte des « désinclinaisons » devrait fournir aux scientifiques un outil nouveau pour expliquer de nombreux phénomènes liés à la mécanique des solides. Les chercheurs veulent poursuivre leur étude de la structure des joints grains sur d'autres minéraux, mais aussi sur d'autres solides comme des métaux.

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