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, 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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Paris, 1er octobre 2013

L'expérience des fentes de Young revisitée au niveau atomique

Des équipes du Laboratoire de Chimie-Physique Matière et Rayonnement (UPMC/CNRS), du Synchrotron SOLEIL, de l'Université de Trieste (Italie) et de l'Université d'Uppsala (Suède), ont montré qu'il est possible d'obtenir de façon très précise des informations cruciales sur la structure des molécules – telles que la distance entre les atomes qui les composent, en renouvelant une célèbre expérience d'optique datant de 1801, cette fois à l'échelle microscopique. Rayons X, électrons et atomes remplacent ampoule, lumière visible et fentes… Ces résultats viennent d'être publiés dans PNAS.

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Paris, 5 octobre 2011

Comète Hartley 2 - Herschel : nouveau regard sur l'origine des océans terrestres

Une équipe internationale, incluant quatre chercheurs de l'Observatoire de Paris et du CNRS, annonce avoir découvert la première comète - 103P/Hartley 2 - qui renferme une eau similaire à celle des océans terrestres. Ce résultat, obtenu avec le télescope infrarouge Herschel de l'ESA, relance le débat à propos de l'origine de l'eau sur la planète bleue. Certains petits corps glacés du Système solaire pourraient bien avoir joué un rôle d'apport céleste. L'information paraît en ligne le 5 octobre 2011 sur www.nature.com et le 13 octobre dans la revue Nature.
D'où vient l'eau des océans ? La question taraude les scientifiques depuis des décennies. Ils penchent aujourd'hui unanimement en faveur d'une origine extraterrestre de l'eau qui couvre les deux tiers du globe. La Terre était sèche et chaude à l'origine. La molécule d'eau y aurait, ensuite, été apportée par le bombardement de corps célestes. Comment ? Et par quel type d'objets : météorites, astéroïdes, comètes ? C'est tout l'enjeu du débat que viennent enrichir les dernières données d'observation de la comète Hartley 2, obtenues par le télescope spatial infrarouge européen Herschel. Ce résultat provient d'une étude menée en ondes submillimétriques, inobservables depuis le sol. L'équipe internationale, qui inclut des chercheurs du Laboratoire d'Études Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique LESIA (Observatoire de Paris, CNRS, Université Pierre et Marie Curie, Université Paris Diderot), a détecté pour la première fois l'eau mi-lourde HDO, forme particulière de l'eau H2O, au sein d'une comète issue de la ceinture de Kuiper, vaste réservoir d'objets glacés qui s'étend à grande distance du Soleil, au-delà de Neptune.

Un bon outil de diagnostic physico-chimique ici est le rapport relatif entre les abondances de deux molécules : l'eau ordinaire H2O (deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène) et l'eau mi-lourde HDO où un atome de deutérium (deux fois plus lourd) remplace un hydrogène. Dans les océans, le rapport deutérium à hydrogène D/H vaut environ 0,0156 % : un chiffre similaire à celui trouvé dans les météorites issues de la ceinture des astéroïdes entre Mars et Jupiter. Dans les six comètes étudiées jusque-là, dont les célèbres Halley et Hale-Bopp, le rapport apparaît deux fois supérieur à celui trouvé sur Terre. Ceci semblait identifier les astéroïdes comme la principale source de l'eau terrestre. Les comètes n'auraient pas contribué pour plus de 10 %.

La nouvelle étude ramène pourtant ces dernières sur le devant de la scène : les comètes auraient bel et bien pu contribuer à l'eau terrestre. Hartley 2 découverte en 1986 est réapparue dans le ciel à quatre reprises depuis. Sa dernière incursion est intervenue en 2010. Le 20 octobre, elle est passée au plus près de la Terre, à 16 millions de kilomètres. Le télescope Herschel a ainsi pu la scruter le 17 novembre à l'aide du spectromètre Heterodyne Instrument for Far Infrared HIFI, meilleur instrument actuellement disponible pour détecter l'eau dans l'espace. Le rapport deutérium/hydrogène relevé est de 0,016 %. Une valeur semblable à celle des océans.

Ce résultat inattendu reflète sans doute la provenance spécifique de la comète Hartley 2 qui revient aujourd'hui tous les six ans près du Soleil : très probablement née au sein de la ceinture de Kuiper, au-delà de Neptune, elle a pu en être éjectée il y a quelques dizaines à centaines de milliers d'années. D'où sa composition différente. De leur côté, les six comètes précédemment étudiées se seraient formées près des planètes géantes du Système solaire. Leurs orbites perturbées les ont, ensuite, conduites à rejoindre le nuage de Oort, à plusieurs dizaines de milliers de fois la distance Terre-Soleil, ou plusieurs centaines de milliards de kilomètres du Soleil.

Le réservoir de petits corps présentant une eau semblable à celle de la Terre s'avère, en définitive, plus grand que prévu : il s'étend bien au-delà de la ceinture des astéroïdes, entre Mars et Jupiter, et irait jusqu'à la ceinture cométaire de Kuiper, au-delà de Neptune.

L'eau des océans pourrait avoir été apportée jadis par une pluie d'icebergs cosmiques.

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