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lu pour vous numéro 63

Détails

"Lu pour vous" n°63*

 Sommaire

  • Science : Stockage d'énergie, des chercheurs infectent des batteries lithium-ions avec des virus
  • Science : le télescope «Gaia« atteint la position d'observation idéale
  • Technologie : une énergie en osmose avec l'avenir, transformer le mélange d'eau de mer et d'eau douce en source d'énergie renouvelable avec des membranes ultra sélectives
  • Sciences et technologie : ce qu'il faut retenir de 2013
  • Météorologie : des nuages insolites
  • High-tech : criminologie, une simple vaporisation d'un gel fluorescent met en évidence les empreintes digitales
  • Santé : thérapie génique, l'optogénétique éclaire nos cellules
 
Science : Stockage d'énergie, des chercheurs infectent des batteries lithium-ions avec des virus
 
lpv631Dans les voitures électriques, chaque gramme compte, car plus la batterie est légère, plus grande sera l'autonomie du véhicule. La technologie actuelle des batteries lithium-ion atteint ses limites à quelques centaines de kilomètres. Et une augmentation du rapport énergie/masse s'avère extrêmement difficile.
 
Des chercheurs du MIT (Massachusetts Institute of Technology) ont développé un modèle de batterie au lithium, qui pourrait tripler son rendement. Ils introduisent des virus dans des batteries soi-disant lithium-oxygène, qui construisent dans les batteries des nano fils très fins. Dans la revue « Nature Communications » Angela BEICHER, spécialiste de la science des matériaux du MIT, a présenté récemment sa méthode de fabrication. La chercheuse décrit comment un virus génétiquement modifié (dénommé M13) peut produire des nano fils.
 
Il est capable de lier un métal d'une solution aqueuse afin d'obtenir des structures de forme cylindrique. Les bio-ingénieurs utilisent le virus pour construire de minuscules cathodes d'oxyde de manganèse. L’addition d'un peu de palladium a montré qu'on peut encore augmenter la conductibilité de ces fils.
 
Grâce à leur faible épaisseur, les nano fils possèdent une surface relativement grande. Ainsi, les réactions électrochimiques qui ont lieu dans la batterie, ont à leur disposition une surface particulièrement importante ; les phases de charge et de décharge pourraient ainsi s'accomplir d'une manière plus efficace.
 
A la différence des procédés de fabrication normales, cette méthode peut s'effectuer à température ambiante et sans supplément de produits chimiques dangereux. De plus, la structure des nano fils formés est mécaniquement particulièrement stable.
 
Ainsi, la densité énergétique et par conséquent  l'autonomie des batteries lithium-ion utilisées actuellement pourrait être doublée ou triplée. Mais, il faudrait sans doute améliorer encore ces batteries par croissance biologiques ; par exemple, leurs électrodes ne sont pas encore assez stables.
 
Source : Der SPIEGEL online, Wïssenschaft / Technik du 08/01/2014, signé KPG
 
 
Science : le télescope «Gaia« atteint la position d'observation idéale
 
lpv632Le télescope de l'Agence Spatiale Européenne doit réaliser la carte en 3D la plus précise du milliard d'étoiles de La Voie Lactée.
 
Juste quatre semaines après son décollage, le télescope « Gaia » a atteint sa position d'observation idéale, au point Lagrange2 (L2), qui suit sa trajectoire autour du Soleil a une distance de 1,5 millions de kilomètres.
 
C'était une opération « complexe » ; d'abord, il faut maintenir la bonne trajectoire et en même temps la parcourir en protégeant les instruments scientifiques sensibles. Mais le déploiement vaut la peine. Au point Lagrange2, les forces qui agissent sur le télescope s'annulent de façon réciproque, lui laissant la possibilité de poursuivre son activité tranquillement, sans aucune influence extérieure.
 
Dans les prochaines semaines, il faut encore effectuer une « petite correction » de la position du télescope et ensuite on procédera aux tests et alignement de ses instruments. La mission de « Gaia », prévue sur cinq ans, peut commencer.
 
Le télescope a été lancé le 19 décembre de la base de Kourou en Guyane par une fusée « Sojus ». Le satellite doit déterminer la position d'un milliards d'étoiles. Chaque étoile doit être visée en moyenne 70 fois. On attend en fin de mission un nombre de données d'un « Petabyte » (un million de Giga byte) correspondant à environ 200 000 DVD.
 
La mesure de ces étoiles doit permettre aux scientifiques d'assembler l'arbre généalogique de La Voie Lactée. Deçà delà, le télescope devra découvrir des étoiles qui explosent dans des galaxies lointaines, les soi-disant » supernovæ ». Gaia pourrait également découvrir de nouveaux astéroïdes.
Le télescope, réalisé par Astrium, est l'instrument le plus sensible jamais construit.
 
Source : Der SPIEGEI on line, Wissenschaft, du 08/01/2014, signé CHS/AFP
 
Technologie : une énergie en osmose avec l'avenir, transformer le mélange d'eau de mer et d'eau douce en source d'énergie renouvelable avec des membranes ultra sélectives
 
Transformer le mélange d'eau de mer et d'eau douce en source d'énergie renouvelable demande la mise au point de membranes ultra sélectives. Des physiciens travaillent à l'échelle du nanomètre pour y parvenir.
 
L'osmose produit une force lorsque l'on met en contact des solutions de salinités différentes, à travers une membrane dite semi-perméable. Elle désigne un phénomène de physique qui se manifeste un peu partout dans notre vie quotidienne. Mais, c'est aussi une des énergies renouvelables de demain. Elle pourrait venir abonder le mix énergétique de manière continue, en plus des énergies intermittentes que sont l'éolien, le solaire, la géothermie et l'énergie marémotrice. La piste est explorée très sérieusement depuis une dizaine d'années. Et elle est très prometteuse.
Selon diverses études, le potentiel de cette source d'énergie à l'échelle mondiale est de l'ordre de 1 térawatt d'électricité produite, soit l'équivalent de 100 réacteurs nucléaires !
 
Jusqu'à présent, cette voie est limitée par la faible efficacité des procédés utilisés pour récupérer l'énergie d'origine osmotique. Mais plusieurs découvertes récentes, dont celles que nous avons faites à l'université de Lyon, offrent des perspectives nouvelles pour rendre ces procédés plus performants. Elles s'appuient entre autres sur l'étude du transport des fluides aux échelles nanométriques, qui mettent en évidence l'émergence de propriétés nouvelles à ces échelles, et sur l'utilisation de matériaux nouveaux.
 
Le physicien britannique Richard PATTLE a eu l'idée d'utiliser le mélange d'eau de mer et d'eau de rivière pour faire une source d'énergie renouvelable. Sa proposition repose sur un constat simple : lorsque l'on mélange un volume d'eau salée avec un volume d'eau douce, on peut récupérer l'énergie issue de la dilution du sel dans le volume d'eau pure, avec une efficacité qui peut aller jusqu'à 0,8 kilowatt heure d'énergie par mètre cube d'eau. On peut donc, en principe, générer plusieurs mégawatts à partir d'un flux de 1 000 litres d'eau pur par seconde, qui se mélange avec le même volume d'eau salée. Une façon d'extraire cette énergie est justement le phénomène d'osmose et son corollaire, la pression osmotique.
 
Comment fonctionne l'osmose ? En physique, elle se produit lorsque l'on met en contact des solutions de salinités différentes, à travers une membrane dite semi-perméable, qui laisser passer l'eau, mais pas le sel des ions sodium et de chlorure pour l'eau de mer. Ce que l'on observe alors, c'est que la solution la plus salée aspire l'eau issue de la solution la moins salée à travers la membrane, phénomène que l'on quantifie en terme de pression osmotique .La pression osmotique est à l'origine de ce mouvement d'aspiration de l'eau à travers la membrane semi-perméable. Elle est proportionnelle à la différence de concentration entre les espèces dissoutes de part et d'autre de la membrane. Dans le cas de l'association d'eau de mer et d'eau de rivière, cette pression osmotique est considérable : elle s'élève à 28 atmosphères, soit l'équivalent de la pression qui s'exerce au pied d'un barrage de 280 mètres de haut !
 
La manière la plus aboutie pour faire extraire l'énergie osmotique est d'utiliser directement cette différence de pression osmotique pour pressuriser l'eau de mer et faire tourner une turbine mécanique qui génère de l'électricité : c'est l'approche dite de pression retardée (plus connue sous l'acronyme anglais « PRO »).
Dans ce procédé, la membrane laisse passer l'eau, tandis que le sel est bloqué .Cette approche est suivie par l'entreprise norvégienne Statkraft, qui a développé un prototype industriel dans l'embouchure du fjord d'Oslo. Ce système, a permis de valider à petite échelle, le principe de production d'énergie électrique à partir de gradients de salinité (voir schéma). Le dispositif est en effet capable de générer quelques watts par mètre carré de membranes. A la suite de ces premiers essais, l'entreprise projette une usine pilote capable de générer  20 mégawatts de puissance constante, soit l'électricité pour une ville de 50 000 habitants (en 2015).
 
lpv633Une méthode alternative est la dialyse inverse, désigné par l'acronyme anglais « RED ». La voie « RED » utilise des membranes sélectives, qui ne laissent passer qu'un seul des deux ions dissous dans l'eau : le sodium ou le chlore. Cette séparation des ions induit un courant électrique au niveau d'électrodes.
Cette approche permet aussi de générer directement un courant à partir du gradient de salinité. Comme pour la méthode de pression retardée, la membrane joue un rôle essentiel. Toute la difficulté est de mettre au point des membranes sélectives. La viabilité de ce procédé a été étudiée en laboratoire et fournit quelques watts par mètre carré de membrane. Un prototype industriel a été lancé aux Pays-Bas, en 2012, par l'entreprise REDSTACK, en collaboration avec l'institut de technologie Watsus et l'entreprise japonaise Fujifilm.
 
Globalement, il y a donc un potentiel énergétique considérable à exploiter mais qui est encore fortement limité par la faible efficacité des membranes.
Pour que l'osmose soit effective, il faut en effet utiliser des membranes dont les pores ont un diamètre de l'ordre du nanomètre, afin de bloquer les ions, ou au moins certains d'entre eux.
Il faut, en même temps, qu'elle laisse passer le plus librement possible les molécules d'eau, qui ont à peu près la même taille, pour augmenter la puissance générée. C'est une tâche totalement contradictoire, que les membranes cellulaires, dans la nature, sont capables d’accomplir. Mais mettre au point des membranes artificielles qui en font de même reste un défi technologique.
 
D'autant qu'elles doivent par ailleurs résister mécaniquement aux pressions considérables qui s'exercent et, enfin, ne pas se boucher ni s'écraser.
Les membranes nano poreuses actuelles sont composées de plusieurs couches à base de polymères synthétiques.
Le développement de nouvelles membranes à base de nanotubes de carbone, comme celles de l'entreprise californienne Porifera, offrent des perspectives nouvelles prometteuses. Leurs membranes sont composées de nanotubes de carbone de taille nanométriques, qui présentent à la fois une très bonne sélectivité vis-à-vis des ions, tout en assurant une excellente perméabilité à l'écoulement de l'eau.
 
lpv634A Lyon, nous nous intéressons aux phénomènes osmotiques qui prennent leur origine à ces échelles. Notre objectif est de mieux comprendre, du point de vue fondamental, les propriétés parfois étranges des fluides à ces échelles. Nous espérons en tirer des approches nouvelles pour la conception de futures membranes, qui permettent d'atteindre des niveaux de performances aussi élevés que dans les systèmes naturels.
Pour commencer, il nous semble essentiel d'étudier les propriétés des fluides dans un pore unique. Il faut comprendre chaque individu avant de comprendre une assemblée parfois hétérogène ; nous avons donc entrepris la mise au point de nouvelles méthodes pour fabriquer des pores uniques, ainsi que des outils pour en mesurer les propriétés.
 
Le système original que nous venons de créer, permet d'explorer le transport des fluides au sein d'un nanotube unique de quelques dizaines de nanomètres de diamètre. Ce nanotube, constitué de bore et d'azote, est inséré au travers d'une membrane de nitrure de silicium.
 
Nanocouture.
Comme en couture, il s'agit d'insérer un fil dans un chas. Sauf que le fil est un nanotube composé de plusieurs feuilles atomiques de nitrure de bore enroulées, et dont le diamètre est compris entre 50 et 100 nanomètres, soit 1 000 fois plus petit qu'un cheveu ! Le trou qu'il faut viser, lui, a un diamètre de 200 nanomètres.
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L'œil ne suffisant pas, cette opération est réalisée à l’aide d'un microscope électronique à balayage. Il suffit alors de viser le trou dans la membrane pour y insérer le nanotube.
Un scellage en carbone est ensuite réalisé permettant de souder le tube à la membrane et d'éviter toute fuite future. Une fois le tube inséré, la pointe est rétractée, laissant au final un nanotube inséré traversant la membrane.
 
Cette membrane avec son nanotube est alors insérée dans un dispositif micro fluidique plus classique, ou deux réservoirs de liquides sont séparés par la membrane avec son nanotube unique qui la traverse. Des électrodes sont placées dans chacun des réservoirs et permettent de convertir, par réaction électrochimique, le courant ionique en courant électronique dans un circuit électrique extérieur.
 
En observant l'écoulement osmotique au travers du nanotube, induit par des différences de concentration en sel dans les deux réservoirs, nous avons mesuré un courant électrique géant, de l’ordre du nano ampère, soit deux ordres de grandeur au-dessus des attentes.
Grâce à nos mesures, nous avons montré que le mécanisme de génération du courant diffère du PRO et du RED. Il s'agit plutôt ici d'un mode de transport subtil, dit diffusion-osmotique.
 
Traduit en termes de puissance électrique générée par unité de surface, ce résultat conduit à une puissance osmotique de l'ordre de 4 000 watts par mètre carré de surface. Ce chiffre est mille fois supérieur aux résultats obtenus jusqu'ici avec les méthodes PRO et RED.
Ces résultats démontrent les caractéristiques uniques des nanotubes de nitrure de bore en tant que matériau, qui n'avaient pas été étudiés jusqu'ici.
Reste maintenant à transformer cet essai en développant des membranes macroscopiques à base de ces nanotubes, première étape vers un développement industriel. Il faut les optimiser, en vue de les utiliser comme membrane osmotique.
 
Source : LA RECHERCHE, N°482, décembre 2013, par Alessandro SIRIA , Anne-Laure BIANCE et Lydéric BOCQUET, physiciens à l'Institut lumière-matière de l'université Lyon-l (Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.).
 
Sciences et technologie : ce qu'il faut retenir de 2013
 
lpv636Les lunettes connectées de Google 
 
En février, Google a recruté des volontaires pour tester ses lunettes connectées, dont la commercialisation est attendue courant 2014. Les utilisateurs pourront prendre des photos, surfer sur le web et appeler sans toucher au téléphone. En juillet, un chirurgien espagnol et un américain filmaient et enregistraient chacun leur intervention en vue subjective avec ces Google Glass.
 
 
 
 
 
lpv637Bras bionique
 
L'hôpital universitaire de Göteborg (Suède) a réalisé une première en matière de prothèse : un patient amputé d'un bras a reçu un membre artificiel connecté directement à ses nerfs par des électrodes. Le bras peut ainsi être contrôlé par la pensée.
 
Astronomie
 
La sonde Cassini a découvert sur Titan, une lune de Saturne, un fleuve de méthane de 400 km ; c'est la plus grande rivière extraterrestre connue à ce jour.
 
Drones : le « Neuron »
 
Au Salon aéronautique du Bourget, Dassault Aviation a présenté le premier drone de combat européen furtif, développé par un consortium européen.
Centrale solaire : 100 mégawatts, c'est la capacité de la plus grande centrale électrique solaire à concentration au monde, Shams I, aux Emirats arabes unis, inaugurée en mars. Elle compte 258 000 miroirs sur une superficie de 2,5 km2 et est capable d'alimenter 20 000 foyers d'Abu Dhabi.
 
Source : SCIENCE et AVENIR, n° 803, janvier 2014
 
Météorologie : des nuages insolites 
 
Outre les nuages classiques (cumulus, cirrus…), le ciel se couvre parfois d'étranges nuages plus rares. Panorama des plus étonnants.
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High-tech : criminologie, une simple vaporisation d'un gel fluorescent met en évidence les empreintes digitales relevées sur une scène de crime.
 
lpv639L'idée était de combiner le cyanoacrylate, produit utilisé actuellement par les enquêteurs pour révéler les empreintes digitales, avec une molécule fluorescente de la famille des tétrazines, connue depuis une dizaine d'années seulement. Mission accomplie avec Lumicyano.
 
Utilisé depuis trente ans par la police scientifique, le cyanoacrylate pourra être poussé à la retraite. Le procédé consiste à faire apparaître les empreintes digitales en vaporisant une poudre qui se fixe sur les reliefs graisseux laissés par le contact d'un doigt sur un support. Parmi ses défauts, il laisse un dépôt blanc sur les empreintes, les rendant difficiles à photographier sur des supports clairs. Et dans le cas où les empreintes ne sont que faiblement marquées, il doit être complété par un colorant fluorescent cancérogène qui ne peut être manipulé que sous une hotte ventilée et qui n'est efficace qu'au bout de quarante-huit heures. « Le Lumicyano améliorera le quotidien des enquêteurs car il ne présente aucune toxicité », explique la chimiste Clémence ALLAIN qui a participé à l'étude. Il gommera aussi un problème posé par le cyanoacrylate, sa tendance à attaquer les traces de matériel génétique. « II a un risque très limité d'endommager les éléments de preuve ADN, capitaux pour résoudre une enquête.
 
Source : SCIENCE et AVENIR, NO 802, décembre 2013, signé Lise LOUME
 
 
 
Santé : thérapie génique, l'optogénétique éclaire nos cellules
 
lpv639-1Cette technique, qui consiste à modifier les cellules pour pouvoir les contrôler par la lumière, connaît un formidable essor. Une première application visant à restaurer la vue chez l'homme va être réalisée à Paris.
 
Rendre la vue à certains non-voyants sera peut-être du domaine du possible dans très peu de temps grâce à une technique nouvelle et très prometteuse, l'optogénétique. Celle-ci permet de prendre le contrôle des cellules à l'aide de la lumière. En pointe dans le domaine, la France accueillera d'ici à trois ans à l'Institut de la vision, à Paris, des non-voyants atteints d'une dégénérescence de la rétine ( la rétinopathie pigmentaire) pour des essais de cette thérapie d'un genre nouveau. 
 
Avec une décennie à peine au compteur, l'optogénétique est bien partie pour entrer à grande vitesse dans l'âge de la raison et fournir aux biologistes et aux médecins l'outil fondamental et thérapeutique qu'ils attendaient pour comprendre les neurones et les réparer avec une précision chirurgicale.
 
A l'université Yale, dans le laboratoire de Gero Miesenbock, après avoir extrait plusieurs gènes contrôlant la sensibilité à la lumière chez la mouche drosophile, le chercheur et son équipe les implantent à des neurones de rat en culture, ce qui leur permet d'en prendre le contrôle en les activant et en les éteignant à la demande par des flashs lumineux. Publiée en 2002, l'étude fait grand bruit. Malheureusement, la construction génétique est fastidieuse, car en plus du gène codant pour la protéine photosensible de la mouche, il faut également insérer une batterie de gènes auxiliaires intervenant dans la vision de l'insecte.
Une équipe allemande de l'Institut Max PLANCK, annonce en 2002 avoir trouvé des molécules photosensibles qui fonctionnent sans l'aide d'aucun gène de soutien. Elles équipent les mécanismes permettant à une algue verte unicellulaire (Chlamydomonas reinhardtii) de se déplacer uniquement lorsqu'il fait jour.
Le travail est ensuite transposé à la souris et au macaque, en 2012, grâce aux travaux d'une équipe de l'hôpital général du Massachusetts (Charlestown, Etats-Unis). Les capacités de réaction neuronale de ce primate se trouvent augmentées face à un stimulus après une greffe optogénétique. C'est désormais l'être humain qui est en ligne de mire. La première application thérapeutique de la technique ciblera l'œil et les différentes pathologies rétiniennes. Pour une simple et bonne raison : l'œil est la partie du système nerveux central en contact avec la lumière, ce qui permet l'activation directe des protéines optogénétiques.
L'œil est depuis des années un terrain d'action idéal en thérapie génique.
 
lpv639-2A l'Institut de la vision, les chercheurs sont convaincus des applications thérapeutiques de la technique.
Dans le sous-sol du bâtiment, une rue artificielle a d'ores et déjà été construite. Elle permettra aux non-voyants, sous greffe optogénique, d'évaluer la réussite de leur opération et sa progression. Ce travail permettra de redonner de l'autonomie à certains patients aveugles, car beaucoup d'entre eux ne sorte plus et se désocialisent.
 
Pour ces futurs essais, ce n'est cependant pas la protéine de l'algue verte (ChR2) qui sera choisie mais une autre protéine membranaire au comportement totalement inverse, l'halorhodopsine tirée de la bactérie Natronomas pharaonis (NpHR).
Une protéine de bactérie fait office d'interrupteur.
 
Alors que sous l'effet de la lumière, ChR2 active les neurones en dépolarisant leur membrane, c'est-à-dire en permettant à des ions positifs d'en franchir le seuil, NpHR loue le rôle d'un interrupteur. Ce canal « coupe le courant » en forçant des ions négatifs à passer, hyperpolarisant ainsi la cellule. Pour « réparer » un photo transmetteur, c'est exactement cet outil qui convient. Car, contrairement aux neurones classiques, les photo transmetteurs fonctionnent en sens inverse et sont actifs uniquement lorsqu'ils sont hyper polarisés. Un paradoxe qui trouve facilement sa raison d'être, explique Serge PICAUD. « Le photorécepteur est la cellule du corps humain qui consomme le plus d'énergie dans son état activé, donc dans l'obscurité. La nature est bien faite puisque cette mobilisation énergétique n'interfère pas avec celle nécessaire en pleine journée, par exemple au cours d'un jogging, au moment où l'individu en a le plus besoin.
 
Introduire l'interrupteur NpHR dans les membranes de photorécepteurs hors d'usage chez des personnes atteintes de pathologies rétiniennes pourrait restaurer leur capacité photosensible, et donc permettre à l'information de remonter jusqu'au cerveau qui pourra alors l'interpréter comme une image. Avec, pour l'instant, une résolution limitée à 600 pixels et en noir et blanc. Mais le progrès sera considérable pour des personnes plongées dans le noir depuis des années.
Les imaginations s'enflamment. Pourrait-on un jour réparer et prendre le contrôle d'autres organes que l'œil ? Des recherches menées sur l'animal laissent penser que la technique trouverait son utilité pour soigner la dépression ou l'addiction par exemple. Pour cela, il faudrait bien évidemment implanter des électrodes lumineuses dans le cerveau des patients. Sont également évoquées des alternatives à la stimulation profonde aujourd'hui pratiquée pour la maladie de Parkinson.
 
Source ; SCIENCE et AVENIR, N°802, décembre 2013, par Hervé RATEL
 
*Les articles qui figurent dans cette rubrique sont transmis à titre d'information scientifique et / ou Technique. Ils ne sont en aucun cas l'expression d'une prise de position de l'UDISS ou d'un jugement de valeur
 
   
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