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, 26 mars 2010
LHC : ouverture de la chasse aux particules !
Mardi 30 mars 2010, le Grand collisionneur de hadrons (LHC, Large Hadron Collider) au Cern à Genève, devrait produire ses premières collisions de protons à haute énergie. Les premières collisions engageront la recherche dans des domaines encore inexplorés des lois fondamentales qui régissent l'Univers. L'événement fera l'objet d'une retransmission télévisée en français par Eurovision de 9h à 11h. Le CNRS/IN2P3(1) et le CEA/Irfu(2) sont impliqués dans l'ensemble des expériences : leurs chercheurs sont à votre disposition pour commenter l'événement.
Le LHC, dont la construction et la mise en œuvre mobilise depuis 25 ans des milliers de chercheurs, d'ingénieurs et de techniciens dans plus de 50 pays, va apporter des éléments de réponses à certaines questions essentielles de la physique des particules. L'énergie sans précédent qu'il atteindra pourrait même révéler des résultats tout à fait inattendus. Au cours des dernières décennies, les physiciens ont décrit de plus en plus précisément les particules fondamentales qui constituent l'Univers, ainsi que leurs interactions. Cette compréhension de l'Univers, qui constitue le modèle standard de la physique des particules, présente cependant des failles et ne répond pas à toutes les questions. Pour combler ces lacunes, les scientifiques ont besoin de données expérimentales que le LHC va leur permettre d'obtenir.

Des faisceaux de protons circulent depuis le 19 mars 2010 à une énergie de 3,5 TeV(3) dans le tunnel du LHC, une énergie jamais atteinte auparavant par aucun accélérateur de particules. Mardi 30 mars, les opérateurs du LHC tenteront pour la première fois de réaliser des collisions au niveau d'énergie record de 7 TeV (3,5 TeV par faisceau). La procédure pour amener les faisceaux à entrer en collision est complexe. Par comparaison, aligner les deux faisceaux revient à lancer deux aiguilles de part et d'autre de l'Atlantique et à les faire se rencontrer au milieu de l'océan. Il est donc possible que plusieurs jours soient nécessaires avant de produire de telles collisions. Le jour de la première tentative, l'événement sera transmis en direct depuis le Cern.

En France, plus de 400 physiciens et ingénieurs du CEA/Irfu et du CNRS/IN2P3 ont contribué à la genèse et au développement des quatre détecteurs du LHC. Leur forte participation à l'effort de R&D en matière d'instrumentation a permis aux équipes françaises de jouer un rôle majeur dans le choix des technologies retenues, dans la conception et la réalisation des détecteurs. La France tient également une place importante dans la grille de calcul qui permet de mutualiser les ressources de centaines de milliers d'ordinateurs pour traiter les données fournies par les détecteurs du LHC.

Les quatre détecteurs du LHC ont des buts et des conceptions complémentaires. Atlas et CMS sont notamment destinés à déterminer l'existence d'un ou de plusieurs bosons de Higgs(4) et à «traquer » de nouvelles particules appelées « supersymétriques ». Ils seront capables de traiter le même volume d'informations que tout le réseau de télécommunications européen actuel. Deux autres détecteurs sont destinés à des études particulières : Alice et LHCb. L'expérience Alice doit pouvoir mettre en évidence et étudier un état particulier de la matière aux origines de l'Univers, le plasma quark‐gluon, un état où quarks et gluons ne sont pas “ emprisonnés ” sous forme de protons et de neutrons. En étudiant spécifiquement les mésons B (particules composées d'un quark b et d'un antiquark), l'expérience LHCb s'intéressera à l'antimatière, l'objectif étant de mieux comprendre pourquoi l'Univers est constitué de matière plutôt que d'antimatière.

Le 30 mars prochain est un événement très attendu par les physiciens du monde entier travaillant auprès des détecteurs, pour lesquels de nouveaux horizons scientifiques s'ouvriront. À ce niveau d'énergie, les scientifiques vont pouvoir vérifier les données et prédictions des expériences précédentes. En particulier, les nouvelles particules, prédites ou non, qui pourront être découvertes les aideront à comprendre comment fonctionne notre Univers.

Une fois les collisions à 7 TeV effectuées, il est prévu de faire fonctionner le LHC en continu pendant une période de 18 à 24 mois, avec un court arrêt technique à la fin de 2010. On disposera alors de suffisamment de données pour confirmer la prééminence du LHC au plan mondial dans le domaine de la physique des hautes énergies. Au terme de cette première phase d'exploitation, un arrêt plus long permettra de préparer le LHC à une énergie encore plus élevée : l'énergie de collision nominale de 14 TeV.

Paris, 7 juillet 2010
Quelle est la taille du proton ?

Le proton, l'un des constituants fondamentaux de la matière, serait plus petit que ce que l'on pensait jusqu'à présent. Tel est le résultat établi de manière expérimentale par une collaboration internationale de physiciens, à laquelle participe le Laboratoire Kastler Brossel (ENS Paris / UPMC / CNRS). Obtenue avec une extrême précision, cette nouvelle mesure du rayon du proton pourrait remettre en cause certaines prédictions de l'électrodynamique quantique, l'une des théories fondamentales de la physique quantique, ou bien la valeur de la constante de Rydberg (constante physique la plus précise à ce jour). Publiés le 8 juillet dans Nature, ces travaux feront la couverture de la revue.
Les noyaux des atomes sont constitués de protons et de neutrons. Autour de ces noyaux, gravitent les électrons. Ces trois éléments (protons, neutrons et électrons) constituent pratiquement toute la matière terrestre. Alors que l'électron est considéré comme une particule « sans taille », le proton, qui est constitué de quarks, est un objet étendu. Jusqu'à présent, seules deux méthodes avaient permis de mesurer son rayon. Basées sur l'étude des interactions entre un proton et un électron, elles s'intéressent soit aux collisions entre un électron et un proton, soit à l'atome d'hydrogène (atome constitué d'un électron et d'un proton). La valeur ainsi obtenue, celle utilisée par les physiciens, est de 0,877 femtomètre (1) (à +/- 0,007).

Pour déterminer plus précisément le rayon des protons, les physiciens ont utilisé de «l'hydrogène muonique » au sein duquel l'électron est remplacé par un muon, une particule élémentaire chargée négativement. « Cette idée remonte aux années 70 », précise François Nez, chercheur CNRS au Laboratoire Kastler Brossel (LKB). « Toutefois, il fallait que les techniques évoluent pour qu'elle soit réalisable ». L'atome d'hydrogène, qui est le plus simple existant, a souvent été le meilleur objet pour étudier des questions fondamentales en physique. Mais, pourquoi remplacer l'électron par un muon ? Chargé négativement (2), ce dernier est 200 fois plus lourd que l'électron. Il doit donc, selon les lois de la physique quantique, évoluer 200 fois plus près du proton que ne le fait l'électron dans l'hydrogène «normal ». Le muon est « beaucoup plus sensible » à la taille du proton qu'un électron. Ainsi, son énergie de liaison à l'atome dépend fortement de la taille du proton. La mesure de cette énergie permet aux scientifiques de déterminer le rayon du proton d'une manière nettement plus précise (0,1 % de précision) qu'à partir des mesures utilisant des électrons (environ 1 % de précision).

Pour cela, un laser infra-rouge a été spécialement conçu. Les six chercheurs du LKB, appartenant au CNRS et à l'UPMC, ont tout particulièrement apporté leur expertise dans sa fabrication, essentiellement pour la partie « titane-saphir » de la chaîne laser. L'objectif a été de concevoir un laser dont la longueur d'onde d'émission  (c'est-à-dire la couleur de la lumière laser) peut être réglée à volonté. Comme un muon se désintègre en 2 millionièmes de secondes, il faut pendant ce laps de temps très court pouvoir réaliser la mesure sur l'hydrogène muonique. Le tir laser doit donc pouvoir être déclenché très rapidement (dans un temps d'environ 1 millionième de seconde). Une première campagne de mesures fin 2002 a permis de valider ce dispositif expérimental mis au point par le LKB qui a également été chargé de mesurer la longueur d'onde d'émission du système laser complet. Il s'agit de cibler, les unes après les autres, les différentes longueurs d'onde absorbées par l'hydrogène muonique, ce qui permet d'en déduire l'énergie du muon autour du proton et donc la taille du proton.

Une divergence inattendue
Après plusieurs séries de mesures menées à l'accélérateur de l'Institut Paul Scherrer PSI en Suisse, où le faisceau de muons est particulièrement intense (3), les chercheurs ont obtenu une valeur inattendue pour le rayon du proton. En effet, ce résultat diffère de celui obtenu en utilisant des électrons. Il est de 0,8418 femtomètre (à +/- 0,0007), au lieu de 0,877 femtomètre pour les mesures utilisant des électrons. « Nous n'avions pas envisagé qu'il puisse y avoir des divergences entre les valeurs connues et nos mesures », précise Paul Indelicato, directeur du LKB. Cette différence est beaucoup trop importante pour qu'on puisse l'imputer à des imprécisions dans les mesures. Les scientifiques sont en train d'essayer d'expliquer cet écart. Il pourrait remettre en cause la théorie la plus précisément testée de la physique à savoir la théorie de l'électrodynamique quantique qui est l'une des clés de voûte de la physique actuelle. Autre possibilité, la valeur actuelle de la constante de Rydberg, aujourd'hui la constante physique déterminée avec le plus de précision, pourrait être révisée. Les chercheurs envisagent de reproduire prochainement cette expérience avec de l'hélium muonique (à la place de l'hydrogène). Un nouvel éclairage sur ces résultats pourrait en découler.

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Paris, 4 mars 2011

Une percée dans la conception de moteurs moléculaires
Des chercheurs du CNRS et de l'Université de Bordeaux, en collaboration avec une équipe chinoise (1), ont réalisé le premier piston moléculaire capable de s'auto-assembler. Ces recherches représentent une avancée technologique significative dans la conception de moteurs moléculaires. Un tel piston pourrait, par exemple, servir à fabriquer des muscles artificiels ou à créer des polymères à la rigidité contrôlable. Ces résultats sont publiés le 4 mars 2011 dans la revue Science.
Les organismes vivants ont largement recours à des moteurs moléculaires pour remplir certaines de leurs fonctions vitales comme stocker l'énergie, permettre le transport cellulaire ou même se propulser dans le cas des bactéries. Les agencements moléculaires de ces moteurs étant extrêmement complexes, les scientifiques cherchent à créer leurs propres versions, plus simples. Le moteur développé par l'équipe internationale emmenée par Ivan Huc (2), chercheur CNRS au sein de l'Unité « Chimie et biologie des membranes et des nanoobjets » (CNRS/Université de Bordeaux), est un « piston moléculaire ». Comme un véritable piston, il est constitué d'un axe sur lequel glisse une pièce mobile, à la différence près que l'axe et la pièce ne mesurent que quelques nanomètres de long.

Plus précisément, l'axe est formé d'une molécule longiligne, tandis que la pièce mobile est une molécule en forme d'hélice (toutes deux sont des dérivés de molécules organiques spécialement synthétisés pour l'occasion). Comment le mouvement de la molécule hélicoïdale est-il possible le long de l'axe ? C'est l'acidité du milieu dans lequel baigne le moteur moléculaire qui contrôle l'avancée de l'hélice sur l'axe : en augmentant l'acidité, on pousse l'hélice vers une extrémité de l'axe, car elle possède alors une affinité pour cette portion de la molécule filiforme ; en réduisant l'acidité, on inverse le processus et l'hélice fait machine arrière.

Ce dispositif offre un avantage essentiel par rapport aux pistons moléculaires déjà existants : l'auto-assemblage. Dans les versions précédentes, qui prennent la forme d'un anneau glissant sur une tige, la pièce mobile passe mécaniquement à travers l'axe avec une extrême difficulté. A l'inverse, le nouveau piston se construit tout seul : les chercheurs ont conçu la molécule hélicoïdale spécifiquement pour qu'elle vienne s'enrouler spontanément autour de l'axe, tout en conservant une certaine liberté de mouvement ensuite pour ses déplacements latéraux.

En permettant une fabrication à grande échelle du piston moléculaire, cette faculté d'auto-assemblage laisse espérer voir fleurir rapidement des applications. Les domaines concernés sont variés : biophysique, électronique, chimie... En greffant bout à bout plusieurs pistons, on pourrait, par exemple, réaliser une version simplifiée d'un muscle artificiel, capable de se contracter sur commande. Une surface hérissée de pistons moléculaires deviendrait, à loisir, un conducteur ou un isolant électrique. Dernière idée : on peut imaginer une version grand format de l'axe sur lequel glisseraient plusieurs hélices, ce qui fournirait un polymère à la rigidité mécanique ajustable. On le voit, les possibilités de ce nouveau piston moléculaire sont (presque) infinies.

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