Paris, 20 AVRIL 2012

Des nano-fibres plastiques hautement conductrices qui se construisent « toutes seules »
Deux équipes du CNRS et de l'Université de Strasbourg, menées par Nicolas Giuseppone 1 et Bernard Doudin2, ont réussi à fabriquer des fibres plastiques fortement conductrices, de quelques nanomètres d'épaisseur. Ces nano-fils, qui font l'objet d'un brevet déposé par le CNRS, se construisent « tout seuls » sous la seule action d'un flash lumineux ! Peu coûteux à obtenir et faciles à manipuler contrairement aux nanotubes de carbone3, ils allient les avantages des deux matériaux utilisés à ce jour pour conduire le courant électrique : les métaux et les polymères organiques plastiques4. En effet, leurs remarquables propriétés électriques sont proches de celles des métaux. De plus, ils sont légers et souples comme les plastiques. De quoi relever l'un des plus importants défis de l'électronique du 21e siècle : miniaturiser ses composants jusqu'à l'échelle nanométrique. Ces travaux sont publiés le 22 avril 2012 dans l'édition en ligne avancée de la revue Nature Chemistry. Prochaine étape : démontrer que ces fibres peuvent être intégrées industriellement dans des appareils électroniques comme les écrans souples, les cellules solaires, etc.
Lors de précédents travaux publiés en 20105, Nicolas Giuseppone et ses collègues étaient  parvenus à obtenir pour la première fois des nano-fils. Pour ce faire, ils avaient modifié chimiquement des molécules de synthèse utilisées depuis plusieurs dizaines d'années dans l'industrie pour le processus de photocopie Xerox® : les « triarylamines ». A leur grande surprise, ils avaient observé qu'à la lumière et en solution, leurs nouvelles molécules s'empilaient spontanément de manière régulière pour former des fibres miniatures. Ces fils longs de quelques centaines de nanomètres (1 nm = 10-9 m, soit un milliardième de mètre), sont constitués par l'assemblage dit «supramoléculaire » de plusieurs milliers de molécules.

Les chercheurs ont ensuite étudié en détail, en collaboration avec l'équipe de Bernard Doudin, les propriétés électriques de leurs nano-fibres. Cette fois-ci, ils ont mis leurs molécules en contact avec un microcircuit électronique comportant des électrodes en or séparées de 100 nm. Puis ils ont appliqué un champ électrique entre celles-ci.

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Paris, 28 novembre 2012

Le "phare" attoseconde : une méthode simple pour générer des impulsions ultra-brèves uniques
La dynamique des électrons au sein des atomes et des molécules est extrêmement rapide (ordre de grandeur : l'attoseconde, soit 10-18 s). Un moyen d'étudier ces phénomènes consiste à utiliser des impulsions de lumière ultra-brèves, uniques et bien caractérisées à cette échelle de temps. Grâce à la démonstration réalisée par les chercheurs du CEA-IRAMIS1 et du Laboratoire d'Optique Appliquée (CNRS/ENSTA-Paris Tech/École polytechnique), il est possible de disposer aujourd'hui d'une source de lumière particulièrement bien adaptée pour de telles recherches sur le comportement de la matière. Ces résultats sont publiés dans Nature Photonics, le 1er décembre 2012.
L'observation de la dynamique électronique extrêmement rapide au cœur des atomes ou des molécules nécessite l'utilisation d'impulsions dans le domaine attoseconde, permettant de réaliser des expériences de type « pompe-sonde », où une première impulsion vient exciter le système, et une seconde observer l'effet de cette excitation, après un délai variable.

La méthode actuelle et ses limites

De telles impulsions ne peuvent être générées par les technologies usuelles de l'optique laser. Le seul moyen démontré à ce jour  pour atteindre d'aussi courtes durées, utilise l'interaction d'impulsions laser femtosecondes (10-15 s) ultra-intenses avec la matière : en interagissant avec la cible, cette impulsion se déforme, ce qui permet d'obtenir une succession d'impulsions de quelques dizaines d'attosecondes chacune (fig.1). Ces impulsions temporellement très proches, sont difficilement exploitables pour des expérimentations, et depuis une dizaine d'années, différentes méthodes ont été proposées pour extraire une impulsion attoseconde unique.

L'innovation apportée par l'étude

Pour produire des impulsions attoseconde isolées, la nouvelle idée des scientifiques, plus simple et plus facilement exploitable, a été de disperser spatialement la succession d'impulsions, à la manière du faisceau de lumière d'un phare. L'émission de chaque impulsion attoseconde se produit ainsi dans une direction légèrement différente, permettant d'obtenir une série d'impulsions attoseconde bien distinctes par leur direction de propagation.
Loin de la cible solide, les impulsions attoseconde successives sont bien distinctes et leur espacement de plusieurs millimètres, permet de les isoler les unes des autres.
Le principe de cette nouvelle approche, proposé initialement par l'équipe de l'IRAMIS, a d'abord été validé théoriquement par des simulations numériques, réalisées avec les moyens de calcul du GENCI (Grand équipement national de calcul intensif). La démonstration expérimentale a ensuite été effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée (École polytechnique-CNRS-ENSTA-ParisTech) sur une chaîne laser délivrant des impulsions proches du cycle optique à très haute cadence, grâce à une très étroite collaboration entre les deux laboratoires.
L'effet observé ouvre de nouvelles perspectives pour la jeune science attoseconde, en plein développement depuis 10 ans. En permettant d'obtenir, à partir d'une seule impulsion laser, plusieurs impulsions attoseconde isolées, sous forme de faisceaux bien séparés angulairement et parfaitement synchrones, les « phares » attoseconde constituent des sources de lumière idéales pour de futures expériences pompe-sonde visant à étudier la dynamique électronique dans la matière.

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  En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 Des cellules photovoltaïques organiques ultra-performantes
 
Enjeu considérable pour l’Homme du 21e siècle, la recherche de ressources énergétiques alternatives au charbon, au pétrole et à l’énergie nucléaire fait l’objet de programmes de recherche colossaux, dans le monde entier. Les travaux de recherche dédiés à la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique s’orientent ainsi vers l’utilisation de matériaux organiques innovants, stables et faciles à développer. Or, les cellules traditionnelles sont produites à base de silicium, un matériau dont l’extraction est très coûteuse, aussi bien financièrement qu’en énergie, ce qui amène une évidente contradiction quant aux problématiques humaines actuelles en production d’énergie. Pour y remédier, des chercheurs du Laboratoire des Matériaux, Surfaces et Procédés pour la Catalyse (LMSPC) (CNRS / Université de Strasbourg), du Laboratoire d’Ingénierie des Polymères pour les Hautes Technologies (Université de Strasbourg) et de l’Institut d’Electronique du Solide et des Systèmes (CNRS / Université de Strasbourg) ont réussi à produire un nouveau type de cellules photovoltaïques organiques, très prometteuses. Ils viennent de mettre au point une famille de nouveaux colorants, faciles à préparer et qui présentent des avantages exceptionnels par rapport aux cellules traditionnelles, à base de silicium. Grâce à des propriétés optoélectroniques propices à élaboration de cellules photovoltaïques performantes, elles approchent les records d’efficacité du domaine. Elles permettent par exemple l’élaboration de modules flexibles et légers, avec une réduction potentiellement significative du coût de fabrication et des contraintes de production, grâce à des méthodes de dépôt en solution. Aujourd’hui brevetés, ces travaux font l’objet d’une publication dans le Journal of American Cheminal Society.

 La conversion de l’énergie solaire en énergie électrique ou chimique est un des défis majeurs auquel sont actuellement confrontées nos sociétés modernes. L’épuisement des ressources fossiles, le réchauffement climatique, le recyclage des déchets et d’autres problématiques environnementales contraignent décideurs et scientifiques à trouver des sources d’énergies alternatives, or l’énergie solaire est inépuisable. Ainsi, depuis une décennie, les cellules solaires à base de molécules organiques connaissent un développement sans précédent. Cette technologie est motivée par le besoin de baisser les coûts de production et l’impact environnemental (empreinte carbone) engendrés par la technologie classique au silicium. En effet, les cellules solaires organiques sont faciles à mettre en forme en solution à partir d’encres ou de peintures. Leur fonctionnement optimal est en outre compatible avec des couches très minces de matériaux actifs, nécessitant par conséquent de très faibles quantités de ces matériaux organiques synthétiques. Ces couches minces sont obtenues par des techniques d’enduction (application d’un revêtement liquide sur un substrat), bien connues de l’industrie et qui permettent d’envisager des dépôts sur de grandes surfaces. Enfin, le recyclage des matériaux en fin de vie devrait bien sûr aussi être pris en compte par les chercheurs sans faire appel à une technologie énergivore.
Les petites molécules organiques découvertes par les chercheurs strasbourgeois présentent l’avantage d’être obtenues simplement, en grande quantité, avec des degrés de pureté élevés et des protocoles de synthèses reproductibles. D’autre part, leurs propriétés optoélectroniques sont aisément modulables, par la modification de leur design qui rend possible une grande variété de couleurs. Cette palette assure une captation forte des photons solaires et une protection du matériau par effet de filtre.
La capacité à mouvoir les charges (électrons et trous) au sein de la couche active est un paramètre dont dépend le bon fonctionnement des cellules en couches photovoltaïques organiques. Cette nouvelle famille de molécules présente des mobilités de charges élevées qui garantissent une bonne séparation de charge. En outre, un comportement ambipolaire (mobilités similaires des électrons et des trous) a pu être observé pour certains de ces nouveaux composés, ce qui permet d’envisager des applications en électronique organique.

Ces résultats obtenus récemment par les mêmes équipes sur plusieurs familles de colorants ouvrent aussi la voie à la mise au point de cellules solaires organiques souples pour des applications grand public (films souples, textiles, vitres solaires, pare-brises de voiture, encre photovoltaïques…).

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Paris, 18 juillet 2012

Le noyau atomique : liquide fissile ou molécule vitale ?
Une nouvelle vision unifiant les deux aspects noyau-liquide et noyau-molécule est révélée par une équipe de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et du CEA, en collaboration avec l'Université de Zagreb. En faisant l'analogie avec les étoiles à neutrons(1), les chercheurs ont mis en évidence, pour la première fois, l'une des conditions nécessaires à la formation, au sein du noyau atomique, de comportements moléculaires. Ces derniers permettent notamment de comprendre la synthèse des éléments indispensables à l'apparition de la vie. Ces travaux sont publiés dans Nature le 19 juillet 2012.
Le noyau atomique est généralement décrit comme une goutte de liquide quantique de l'ordre du millionième de milliardième de mètre de diamètre. Ce comportement de type liquide explique notamment la fission nucléaire, et s'applique préférentiellement aux noyaux lourds, c'est-à-dire ceux contenant beaucoup de nucléons (les neutrons et les protons). En revanche, les noyaux légers(2) peuvent se comporter comme de minuscules « molécules » - ou agrégats - composés de neutrons et de protons à l'échelle du noyau. Cet aspect moléculaire permet de comprendre la synthèse stellaire du carbone-12 ou d'éléments plus lourds, nécessaires à l'apparition de la vie(3).

Jusqu'à présent, les deux visions « noyau-molécule » et « noyau-liquide » co-existaient. Aujourd'hui, une équipe de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et du CEA, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Zagreb, livre une vision unifiée de ces deux aspects. En résolvant des équations de physique quantique à l'échelle du noyau (et notamment l'équation de Schrödinger), les chercheurs ont démontré que, si un noyau léger peut présenter un comportement de type moléculaire (qui tend vers l'état cristallin), il adopte, lorsqu'il s'alourdit, un comportement de type liquide. Pour établir cette nouvelle théorie, les physiciens se sont inspirés des étoiles à neutrons(1). Plus on s'enfonce à l'intérieur de ces étoiles, plus on passe d'un milieu cristallin à un milieu liquide. Grâce à cette analogie, les physiciens ont identifié un mécanisme de transition de l'état liquide vers l'état cristallin du noyau. Lorsque les interactions entre neutrons et protons ne sont pas assez fortes pour les fixer au sein du noyau, celui-ci est alors dans un état de type liquide quantique où neutrons et protons sont délocalisés. À l'inverse, dans un état cristallin, neutrons et protons seraient fixés à intervalles réguliers dans le noyau. La molécule nucléaire est interprétée comme un état intermédiaire entre le liquide quantique et le cristal. À long terme, il s'agit de comprendre de manière unifiée les différents états du noyau.

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