Paris, 27 février 2013

Energie renouvelable : des nanotubes pour tirer le meilleur de l'énergie osmotique
La différence de salinité entre l'eau douce et l'eau de mer est l'une des voies explorées pour obtenir de l'énergie renouvelable. Néanmoins, les faibles rendements des techniques actuelles constituent un frein à son utilisation. Ce verrou pourrait être en train d'être levé. Une équipe menée par des physiciens de l'Institut Lumière Matière (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec l'Institut Néel (CNRS), a découvert une nouvelle piste pour récupérer cette énergie : l'écoulement osmotique à travers des nanotubes de Bore-Azote permet de générer un courant électrique géant avec une efficacité plus de 1 000 fois supérieure à celle atteinte jusqu'ici. Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs ont développé un dispositif expérimental très original permettant, pour la première fois, d'étudier le transport osmotique des fluides à travers un nanotube unique. Leurs résultats sont publiés le 28 février dans la revue Nature.
Les phénomènes osmotiques se manifestent lorsque l'on met en contact un réservoir d'eau salée avec un réservoir d'eau douce par l'intermédiaire de membranes semi-perméables adaptées. Il est alors possible de produire de l'électricité à partir des gradients salins. Ceci, de deux façons différentes : d'un côté, la différence de pression osmotique entre les deux réservoirs peut faire tourner une turbine ; de l'autre, l'utilisation de membranes qui ne laissent passer que les ions permet de produire un courant électrique.

Concentrée au niveau des embouchures des fleuves, la capacité théorique de l'énergie osmotique au niveau mondial serait d'au moins 1 Térawatt, soit l'équivalent de 1000 réacteurs nucléaires. Cependant, les technologies permettant de récupérer cette énergie présentent d'assez faibles performances, de l'ordre de 3 Watts par mètre carré de membrane. Les physiciens de l'Institut Lumière Matière (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec l'Institut Néel (CNRS), pourraient être parvenus à lever ce verrou.

Leur but premier était d'étudier la dynamique de fluides confinés dans des espaces de taille nanométrique tels que l'intérieur de nanotubes. En s'inspirant de la biologie et des recherches sur les canaux cellulaires, ils sont parvenus, pour la première fois, à mesurer l'écoulement osmotique traversant un nanotube unique. Leur dispositif expérimental était composé d'une membrane imperméable et isolante électriquement. Cette membrane était percée d'un trou unique par lequel les chercheurs ont fait passer, à l'aide de la pointe d'un microscope à effet tunnel, un nanotube de Bore-Azote de quelques dizaines de nanomètres de diamètre extérieur. Deux électrodes plongées dans le liquide de part et d'autre du nanotube leur ont permis de mesurer le courant électrique traversant la membrane.

En séparant un réservoir d'eau salée et un réservoir d'eau douce avec cette membrane, ils ont généré un courant électrique géant à travers le nanotube. Celui-ci est dû à l'importante charge négative que présentent les nanotubes de Bore-Azote à leur surface, charge qui attire les cations contenus dans l'eau salée. L'intensité du courant traversant le nanotube de Bore-Azote est de l'ordre du nanoampère, soit plus de mille fois celui produit par les autres méthodes cherchant à récupérer l'énergie osmotique.

Les nanotubes de Bore-Azote permettent donc de réaliser une conversion extrêmement efficace de l'énergie contenue dans les gradients salins en énergie électrique directement utilisable. En extrapolant ces résultats à une plus grande échelle, une membrane de 1 mètre carré de nanotubes de Bore-Azote aurait une capacité d'environ 4 kW et serait capable de générer jusqu'à 30 MegaWatts.heure 1 par an. Ces performances sont trois ordres de grandeur au-dessus de celles des prototypes de centrales osmotiques en service aujourd'hui. Les chercheurs veulent à présent étudier la fabrication de membranes composées de nanotubes de Bore-Azote, et tester les performances de nanotubes de composition différente.

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Paris, 17 juillet 2012

Des nano-antennes bio-inspirées pour la lumière
Si les antennes radios amplifient les signaux de nos téléphones portables et de nos télévisions, le même principe peut s'appliquer à la lumière. Pour la première fois, des chercheurs du CNRS et de l'université d'Aix-Marseille(1) sont parvenus à fabriquer une nano-antenne à partir de courts brins d'ADN, de deux nanoparticules d'or et d'une petite molécule fluorescente qui capte et émet de la lumière. Cette antenne optique facile à manipuler et à contrôler, est décrite dans un article publié dans Nature Communications le 17 juillet 2012. A plus long terme, ces travaux pourraient permettre de développer des diodes luminescentes plus efficaces, des cellules solaires plus compactes ou encore être utilisés en cryptographie quantique.
Puisque la lumière est une onde, il devrait être possible de mettre au point des antennes optiques capables d'amplifier le signal lumineux de la même façon que les antennes de nos télévisions ou de nos portables captent les ondes radios. Or, la lumière oscillant un million de fois plus rapidement que les ondes radio, il faut des objets extrêmement petits de l'ordre du nanomètre(2) (nm) pour capter ces ondes lumineuses très rapides. C'est pourquoi, l'équivalent optique d'une antenne élémentaire (de type dipolaire) est un émetteur quantique(3) entouré de deux particules mille fois plus petites qu'un cheveu humain.

Pour la première fois, les chercheurs des Instituts Langevin et Fresnel1 ont mis au point une telle nano-antenne bio-inspirée pour la lumière, simple et facile à manipuler. Sur de courts brins d'ADN synthétiques (10 à 15 nm de long), ils ont greffé des particules d'or (de 36 nm de diamètre) et un colorant organique fluorescent. La molécule fluoresc ente agit comme une source quantique qui alimente l'antenne en photons tandis que les nanoparticules d'or amplifient l'interaction entre l'émetteur et la lumière. Les scientifiques ont produit en parallèle plusieurs milliards de copies de ces paires de particules (en solution) en contrôlant la position de la molécule fluorescente au nanomètre près, grâce à l'ossature d'ADN. Ces caractéristiques dépassent largement les possibilités offertes par les techniques classiques de lithographies utilisées actuellement dans la conception des microprocesseurs. A plus long terme, une telle miniaturisation pourrait permettre le développement de diodes luminescentes plus efficaces, de détecteurs plus rapides et de cellules solaires plus compactes. Ces nano-sources de lumière pourraient également être utilisées en cryptographie quantique.

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Paris, 18 octobre 2012

Une nouvelle méthode pour concevoir des langues électroniques
De la même façon que les nez électroniques sont capables d'analyser des gaz (odeurs), les langues électroniques sont dédiées à l'analyse des liquides et trouvent de plus en plus d'applications dans l'industrie agroalimentaire, l'analyse de l'environnement et le domaine de la santé. Ces dispositifs qui s'inspirent des procédures physiologiques du goût, utilisent des capteurs intégrant différents composés, souvent longs à fabriquer. Des chercheurs du CEA, du CNRS, de l'Université Joseph Fourier et de l'Université Paris-Sud1, ont mis au point une méthode novatrice qui simplifie grandement la conception de ces langues électroniques, en s'inspirant de la façon dont des protéines sont reconnues par les Héparanes Sulfates (sucres complexes naturels) présents à la surface des cellules. Ces résultats ont été publiés dans la revue Angewandte Chemie du 8 octobre.
Les auteurs de l'étude ont mis au point une méthode combinatoire évitant de s'astreindre à la préparation de nombreuses molécules différentes utilisées classiquement pour les langues électroniques. Les chercheurs préparent d'abord différentes solutions en mélangeant seulement deux petites molécules ayant des propriétés physico-chimiques distinctes, et en variant leurs proportions relatives. Ils déposent ensuite des gouttes de ces solutions sur un substrat, afin de créer un réseau de plots ou capteurs par auto-assemblage des molécules en monocouche. C'est l'ensemble des signaux issus de tous les capteurs qui constitue la signature, ou le "goût", d'une protéine et permet de générer son « profil 2D ou 3D » caractéristique. Cela a permis par exemple de distinguer des chimiokines de structures très voisines. Si plusieurs protéines sont présentes simultanément, le "goût" du mélange peut être décomposé en ses composantes individuelles et chaque protéine reconnue. Dans l'exemple relaté dans Angewandte Chemie, avec deux molécules,  onze récepteurs combinatoires sont produits, ce qui génère  onze signaux. En passant de 2 à 3 molécules différentes dans la composition des plots, on multiplie par 6 le nombre de récepteurs combinatoires distincts et on affine d'autant la sensibilité de la langue pour reconnaître des protéines très similaires.

Pour la détection du signal, les chercheurs ont utilisé une technique déjà connue mais jamais utilisée dans ce domaine, l'imagerie par résonance de plasmons de surface (SPRi) : le substrat est un prisme optique recouvert d'une fine couche d'or dans laquelle les mouvements collectifs des électrons (plasmons) sont modifiés chaque fois qu'une protéine s'adsorbe sur l'un des capteurs. Cette modification est mesurée optiquement. Les avantages de cette technique sont nombreux : pas besoin de marqueur fluorescent ou radioactif, lecture en parallèle et en temps réel de tous les plots.

Grâce à sa simplicité, cette nouvelle approche pourrait conduire au développement de langues artificielles fiables et peu onéreuses, pour l'agroalimentaire, l'analyse de l'environnement ou le domaine de la santé.

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Paris, 23 avril 2013

L'eau de la haute atmosphère de Jupiter provient de la comète Shoemaker-Levy 9
La quasi-totalité de l'eau présente aujourd'hui dans la haute atmosphère de Jupiter provient de la comète Shoemaker-Levy 9, qui avait percuté la planète en juillet 1994. Cette découverte a été réalisée grâce au télescope Herschel de l'ESA par une équipe internationale d'astronomes menée par un chercheur du Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux (CNRS/Université Bordeaux 1). Elle est publiée dans la revue Astronomy and Astrophysics du 23 avril 2013.
La comète Shoemaker-Levy 9 (SL9) entre dans les annales de l'astronomie en juillet 1994 lorsqu'elle percute Jupiter. Cet impact spectaculaire, qui laisse des traces à la surface de la planète pendant plusieurs semaines, est alors suivi dans le monde entier par de nombreux astronomes, amateurs comme professionnels. C'est la première fois que l'on observe une collision extraterrestre entre deux corps du Système solaire.
 
Trois ans plus tard, ISO, le télescope infrarouge de l'ESA, permet de détecter pour la première fois de la vapeur d'eau dans la haute atmosphère de Jupiter. De l'eau, on sait que les planètes géantes en possèdent : leur atmosphère profonde en est riche. Mais cette eau profonde condense au voisinage des couches nuageuses visibles et ne peut atteindre la haute atmosphère. Comme les comètes sont très riches en eau, Shoemaker-Levy 9 est alors suspectée d'être à l'origine de la vapeur d'eau observée. Mais d'autres causes paraissent possibles : les poussières interplanétaires, qui résultent de l'activité des comètes et des collisions entre les astéroïdes ? ou certains satellites de Jupiter, dont les surfaces couvertes de glace, bombardées par les particules interplanétaires, peuvent fournir une source d'eau pour l'atmosphère de la planète ?

Seize ans plus tard, le télescope spatial Herschel de l'ESA a permis de lever le mystère. Grâce à sa très grande sensibilité, la distribution de la vapeur d'eau dans la stratosphère de Jupiter est cartographiée pour la première fois en 3D par une équipe internationale menée par Thibault Cavalié, du Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux1 (CNRS/Université Bordeaux 1), et qui comprend également des chercheurs du LESIA (Observatoire de Paris/CNRS/Univ. Pierre-et-Marie-Curie/Univ.Paris Diderot). Cette équipe découvre alors deux à trois fois plus d'eau dans l'hémisphère sud de Jupiter, où avait eu lieu l'impact de Shoemaker-Levy 9, que dans l'hémisphère nord. Mieux : le maximum de densité de colonne de l'eau est observé à 44°S, là même où avait eu lieu l'impact de la comète. Le doute sur l'origine de l'eau dans la haute atmosphère de Jupiter est ainsi définitivement levé. Les astronomes ont démontré précisément que ce sont 95% de l'eau observée dans la stratosphère de Jupiter qui été déposée par la comète SL9.

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