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lu pour vous numéro 120

Détails

" Lu pour vous " n° 120*

Sommaire

  • Sciences & Techniques – nanoscopie : au-delà de la limite de diffraction
  • A la une : l’Univers n’est pas ce qu’on croît !
  • Quatrième dimension ? Super symétrie ? Une force inconnue de la matière ? Un simple signal a tout bouleversé
  • Actualités high-tech : un drone sous-marin autonome
  • Actualités high-tech : les bouteilles se recyclent en fils
  • Actualités high-tech : le plastique allégera les moteurs
  • Actualités-physique des matériaux : récupérer l’eau en imitant la nature

Sciences & Techniques – nanoscopie : au-delà de la limite de diffraction.

La vie comme on ne l’avait jamais vu.

lpv1201Ils s’appellent STORM, SIM et STED. Et ils ne sont pas des microscopes, mais des « nanoscopes ». Grâce à eux, voici que se dévoilent, pour la première fois, molécules, virus ou protéines... au sein même du vivant. Une révolution, selon Myriam Ydri. La preuve... évidemment en images.

Les lois de la physique stipulent : il est impossible de distinguer des objets de taille inférieure à la moitié de la longueur d’onde de la lumière utilisée. Conséquence : avec la lumière visible, qui va de 400 à 800 nanomètres (nm=, deux points distants de moins de 200 nm apparaissent flous.

Grâce aux progrès de la physique, de la chimie et de l’informatique, trois nouvelles techniques de microscopie s’affranchissent aujourd’hui de cette limite, qui rendait jusqu’ici inobservables virus, protéines et les autres objets biologiques d’une taille inférieure à 200 nm.

 

Observer le vivant !

Il s’agit d’une fantastique révolution dans l’observation du vivant ! Baptisés STED, STORK et SIM, trois « nanoscopes » permettent aujourd’hui de montrer, avec une résolution 20 fois supérieure à celle des microscopes classiques, l’infiniment petit...in vivo !

 

Nanoscope STORM

Il dévoile les molécules une à une.

Admirez le subtil maillage qui structure les prolongements de ces neurones. Cette clarté exceptionnelle est caractéristique pour STORM (STochastic Optical Reconstruction Microscopy, ou microscopie optique par reconstruction stochastique), une technique qu’utilise la chimie pour allumer puis éteindre à tour de rôle les molécules fluorescentes .Chaque molécule qui s’illumine forme une tache de diffraction. Un ordinateur calcule le centre de cette tâche, la réduit à un point, et reconstitue à partir de là, pixel par pixel, des images précises à 10 nanomètres près.lpv1202

Nanoscope SIM.

Il permet la 3D et le mouvement.

Voici, saisi sur le vif au cœur d’une cellule, le ballet des protéines en 3D et en mouvement. Cette image exceptionnelle extraite d’un film de quelques secondes est due au nanoscope SIM (Structured illumination microscopy, ou microscopie par illumination structurée). « Avec cette technique, on voit les choses comme elles arrivent, pendant qu’elles arrivent ! », s’enthousiasme Lothar Schemmeleh, chercheur à Oxford. Son principe ? Tourner le phénomène d’interférences à son avantage. Il s’agit d’abord de projeter un faisceau en forme de code-barres sur une structure suffisamment petite pour créer un motif d’interférences « moiré » (comme les rayures d’une chemise vues à la télévision). Ce faisceau est projeté sous trois angles différents. Connaissant les propriétés de la lumière projetée, et celle du motif obtenu, une équation mathématique complexe permet de recréer la forme étudiée en 3D.

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Nanoscope STED.

Il promet une résolution sans limite.

Perdez-vous dans l’entrelacs de ces protéines filamenteuse d’une incroyable finesse : leur diamètre set plusieurs milliers de fois plus petit que celui d’un cheveu ! « On ne les a jamais vues comme ça avant ! », s’enthousiasme le neurobiologiste Valenti Nägerl, qui a perfectionné cette technique. Baptisée STED (pour Stumulated Emission Depletion, ou déplétion par émission stimulée), ce nanoscope envoie sur la structure biologique à photographier, d’abord rendue fluorescente, (de façon génétique ou par injection d’un produit), un rayon laser en forme de tore.

Celui-ci force la fluorescence à s’éteindre partout, sauf en son point central. Il suffit alors de balayer tout l’objet pour obtenir, point par point, l’mage finale en super-résolution.

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Source : Science et Vie, N° 1184, mai 2016, par Myriam Ydri.

A la une : l'Univers n'est pas ce qu'on croit !

Quatrième dimension ? Super symétrie ?

lpv1205C'est un moment crucial (Guillaume Unal, Cern). Une force inconnue de la nature ? Tout est aujourd'hui possible. Un simple signal a tout bouleversé.

Un simple signal. Trois fois rien en apparence. Quelques dizaines de photon ultra énergétique détecté au sein du LHC, l'accélérateur géant de particules du CERN. Lequel, il est vrai, était lancé à sa puissance maximale ; Une première depuis sa création. De quoi sonder les arcanes de la matière comme jamais auparavant.

Ce signal, capté par les deux grands détecteurs Atlas et CMS, est apparu fin novembre 2015, une fois analysées toutes les données issues des fantastiques gerbes de particules qu'a engendrées depuis le début de l'année de 27 km du Cern. Et depuis lors, le monde ne ressemble plus à l'idée qu'on s'en faisait jusqu'ici.

Concrètement, ce signal a pris la forme d'une petite bosse sur la courbe recensant les paires de photons captées. Une bosse caractéristique de l'existence d'une toute nouvelle particule, qui se serait matérialisée !ors des collisions avant de se désintégrer en deux photons. A l'appui de cette hypothèse : les deux signaux enregistrés par les deux détecteurs « piquent » exactement à la même masse, 750 gigaélectronvolts (GeV), désignant une particule quatre fois plus massive qu'un atome de plomb.

Une particule que personne ne soupçonnait.

A quel point ce signal est-il réel ? Pour que la découverte d’une particule soit officiellement annoncée, il faut que chaque détecteur ait moins de 1 risque sur 3,5 millions de se tromper. Or, le 17 mars, après étude approfondie des données, l’équipe Atlas annonçait avoir moins de 1 chance sur 20 000 de se tromper, celle de CMS 1 sur 3 000. Ce qui, si on cumulait l’ensemble des données, donnerait moins de 1 chance sur 3 millions que le signal soit une simple fluctuation statistique !

Depuis cette date, l’idée qu’il ‘agit bien d’une particule totalement inconnue est dans tous les esprits.

lpv1206Un signe : les publications sur la découverte de cette particule dont nul ne soupçonnait l’existence se multiplient à un rythme effréné, plus de 250 en quelques mois ! Quasiment du jamais vu. Pour lever les derniers doutes, il faudra attendre la fin de l’été. De fait, l’accélérateur est à l’arrêt depuis début décembre pour maintenance et doit redémarrer début mai, avec la même puissance mais une cadence de tir supérieure.
« Il est trop tôt pour fêter quoi que ce soit », lâche ainsi Marumi Kado, le porte-parole d’Atlas. Avant d’ajouter que « les deux fluctuations sont tout de même très impressionnantes ». Pour sa part, Yves Siroie, le responsable scientifique de CMS, ne cache pas que « cela évolue dans le bon sens, si bien que nous prenons la chose très au sérieux ». En privé, la plupart des experts interrogés jubilent.
Une mystérieuse particule qui ne ressemble à rien de connu.

Le signal enregistré par les détecteurs du Cern sort totalement du cadre du modèle standard. Le bestiaire officiel qui recense toutes les particules élémentaires censées exister dans la nature. Impossible de faire entrer la particule X dedans !
Pour comprendre, il faut savoir que le modèle standard organise depuis quarante ans notre monde autour de 26 particules élémentaires : 12 particules de matière (électron, quarks, neutrinos ..) et 13 particules véhiculant les quatre interactions fondamentales à l'œuvre dans l'Univers ( photon, gluons et bosons, sans oublier le graviton, transmetteur de la force de gravité, dont personne ne doute de l'existence même s'il n'a jamais encore été observé, ses effets à l'échelle microscopique étant infinitésimaux). Ce à quoi il faut ajouter le fameux boson de Higgs, découvert il y a seulement quatre ans, qui confère leurs masses à toutes les autres particules.

Ni de matière, ni de force, ni le graviton.

Connaissant les propriétés de ces particules, le modèle standard permet de prédire la façon dont ces particules interagissent avec une précision jamais mise en défaut jusqu'ici.

Et justement, les spécialistes savent très bien analyser les processus prédits par le modèle standard lors des collisions de particules qui ont généré l'étrange signal. En l'occurrence, le nombre de photons enregistrés en fonction de leur énergie devrait suivre une courbe parfaitement lisse.

lpv1207Mais voilà : les résultats expérimentaux font apparaître une bosse .Or, l'écart observé entre la théorie standard et les résultats expérimentaux obtenus au LHC ne peuvent être interprété que d'une seule façon, simple et radicale : la particule massive qui s'est apparemment matérialisée lors des collisions ne fait pas partie du modèle standard !

En l'état, ce ne peut être ni une particule de matière classique, ni une particule de force classique, ni le boson de Higgs. Ni même le graviton, dont la masse est par principe nulle. Il s'agit donc nécessairement d'autre chose. Quoi ? Les idées envisagées par les théoriciens ces derniers mois prennent trois directions radicalement différentes. Chacune confère une identité originale à la particule X ; Chacune dynamite le modèle standard. Chacune propose une autre vision de notre monde matériel.

Seules de nouvelles données expérimentales permettront de trancher, dans un sens ou dans l'autre. Mais dans tous les cas, une chose est sûre : au vu de ce qu'on sait de lui aujourd’hui, le X est l'annonciation d'une grande révolution.

lpv1208L'idée séduit nombre de spécialistes de l'infiniment petit : la particule X, en l'état, pourrait être un...second boson Higgs. Et si l'hypothèse se vérifiait, elle obligerait, à reconsidérer tout ce que l'on sait de la nature élémentaire. Et pour cause : cela déclencherait l'existence d'une incroyable flopée de nouvelles particules élémentaires inédites, jusqu'à 45 selon certains théoriciens.

Pour le dire autrement, ce deuxième Higgs pourrait être le premier représentant de la super symétrie une des plus fameuses extensions imaginées au modèle standard pour colmater ses brèches restées béantes d’ailleurs. Son principe ?

A chaque particule de matière correspondrait une particule de force encore à découvrir, et réciproquement. Aux quarks correspondraient des squarks, aux gluons de gluinon, au graviton un gravitino, etc. A l’univers élémentaire que nous connaissons répondrait, comme dans un miroir, un autre monde particulaire invisible et, à ce jour, inexploré.

Et si c'était le signe d'une nouvelle force ?

Aux yeux de nombreux théoriciens, le X ne serait pas le signe d'une supersymétrie, il pourrait s'agir plutôt d'une particule composite, à l'instar du proton, cet assemblage de quarks liés par l'interaction forte. Sauf qu'ici, elle serait constituée de particules élémentaires totalement inconnues, qui plus est liées entre elles par une force dont on ignore tout.

Une nouvelle force ? Quel choc ce serait ! Rappelons que la découverte de la force électromagnétique a fait naître le fée électricité, et celle des interactions faibles et fortes, le feu nucléaire.

Une chose est claire : si nouvelle force il y a, une myriade de nouvelles particules composites non prédites par le modèle standard devraient bientôt faire leur apparition au LHC.

Et si c'était le signe d'une quatrième dimension spatiale ?

C'est la solution la plus radicale, la plus bouleversante et la plus difficile à concevoir : le X pourrait être issu d'une quatrième dimension. Tout le monde constate pourtant que l'espace autour de nous n'en a que trois : en haut, en face et sur le côté. Vers ou diable se tourner pour en trouver un quatrième ?

Une des façons de voir, autant que faire se peut, ou ce cache cet outre-espace consiste à imaginer un fil tendu entre deux poteaux
Pour l'équilibriste qui ne peut qu'avancer ou reculer dessus, c'est une ligne, un espace à une seule dimension. Mais pour la fourmi qui peut en faire le tour, ce même fil possède une dimension supplémentaire minuscule et enroulée sur elle-même : c'est une surface à deux dimensions. Il en irait de même pour notre espace tridimensionnel classique : en chaque endroit de déploierait une minuscule dimension supplémentaire, complètement repliée sur elle-même. Chaque point serait un mini-cercle.

Une sorte d'écho dans nos 3 dimensions.

L'idée que l'espace puisse avoir plus de trois dimensions n'est pas nouvelle. Elle est même au cœur de la théorie des cordes, ce vaste édifice candidat à l'unification des quatre forces fondamentales.

En particulier, le graviton, contrairement aux autres particules de force, est susceptible de se propager dans la dimension supplémentaire, ce qui permet d'expliquer pourquoi la gravitation est beaucoup moins intense que les trois autres interactions connues.

Conséquence mécanique de cette incursion : les mouvements du graviton dans la quatrième dimension génèrent une sorte d'écho dans nos trois dimensions habituelles. Et si suffisamment d'énergie est concentré en un point, comme le fait le LHC, cet écho doit se matérialisé en une particule, en vertu du fameux E= mc2 d'Einstein, qui lie l'énergie et masse.

Le X pourrait être ce graviton massif. A ce stade, rien ne l'interdit.

Pour trancher, il suffirait de mesurer son spin. Car seul le graviton possède un spin égal à deux. Ce serait alors la preuve indubitable que l'espace compte plus de trois dimensions.

Ce serait donc une révolution sans précédent!

Source : SCIENCE et VIE, n° 1184, mai 2016, par Mathieu Grousson , illustrations Didier Florentz.

Actualités high-tech : Un drone sous-marin autonome.

Grâce â sa propulsion hybride, il descend jusqu'à 3 600 mètres de profondeur et dispose d'une autonomie de 12 000 kilomètres.

Robotique.

lpv1209Après les drones aériens, Boeing s'attaque au monde sous-marin, dont les fonds demeurent encore à 75% inexplorés. L'écho Voyage peu tenir six mois en mission sans pilote, contre trois jours pour son prédécesseur, l'Echo Seeker. L'appareil mesure 16 mètres de long et pèse près de 50 tonnes. Il descend jusqu'à 3 600 mètres de profondeur et dispose d'une autonomie de 12 000 kilomètres. Son principal atout réside dans sa propulsion hybride : une fois ses batteries lithium-ion épuisées, il les recharge en surface grâce à un générateur Diesel. Les données qu'il récoltera selon la nature des instruments embarqués seront envoyées directement à des satellites.

Boeing va commercialiser ce drone pour des missions de cartographies sous-marine en 3D, d'inspection d'infrastructures, d'exploration pétrolière offshore et pour un usage militaire. Après des tests en piscine, il sera essayé en mer cet été au large des côtes californiennes. Sa date de commercialisation et son prix n'ont pas encore été révélés.

Source : Science et Avenir, n° 831, mai 2016, signé C.D.

Actualités high-tech · les bouteilles se recyclent en fils.

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Matériaux. Pour recycler les bouteilles plastiques, voici le Plastic Sottie Cutter : ce projet vient de lever 350 000 euros sur la plate-forme de financement participatif Kickstarter alors que ses inventeurs en demandaient 8 500 pour crée l'objet dont le prix devrait être de 20 euros. Il suffit de couper le fond de la bouteille puis d'engager la paroi pour obtenir, en tournant, un fil aux multiples usages.

Source : Science et Avenir, n° 831, mai 2016, signé O.H.

 

 

 

 

 

 

Actualités high-tech : le plastique allégera les moteurs.

Motorisation.

Le chimiste Solvay tente d'introduire des pièces en plastique dans les moteurs à combustion pour les alléger afin de diminuer la consommation de carburant. Dans son projet Polymotor 2, l'objectif est de remplacer une dizaine de pièces en métal par des matériaux thermoplastiques.

Grâce à ces éléments plus légers, l'ensemble devrait peser environ 65 kg, soit 40 kg de moins qu'un moteur standard.
Le prototype sera testé cette année aux Etats-Unis.

Source : Science et Avenir, n° 831, mai 2016, signé A.B.

Actualités- physique des matériaux : récupérer l’eau en imitant la nature.

lpv1209 2Un nouveau matériau vient de voir le jour. Il est capable d’optimiser la condensation de la vapeur d’eau et la récupération des gouttes déposées à sa surface.

Les scarabées du désert de Namibie doivent leur survie aux petites bosses qui tapissent leur carapace. En condensant la vapeur d’eau de l’atmosphère, ces reliefs jouent le rôle de système de récupération d’eau. Les épines de cactus assurent, quant à elles, le transport vers la plante des gouttes d’eau se formant à leur pointe. Tandis que les plantes carnivores en forme de cruche du genre Nepenthes, sont recouvertes d’un revêtement lubrifiant particulièrement glissant qui précipite vers les sucs digestifs les insectes qui ont le malheur de s’y poser.

Trois stratégies qu’une équipe de l’université Harvard, aux Etats-Unis, a combinées pour fabriquer un nouveau matériau « biomimétique » capable d’optimiser la condensation de la vapeur d’eau de l’atmosphère et de la collecte des gouttes d’eau formées à sa surface

Leur étude s’est d’abord portée sur les bosses de la carapace des scarabées du désert de Namibie. En 2010, les scientifiques ont montré que leur capacité à condenser la vapeur d’eau tenait non pas au caractère hydrophile de leur surface, ; mais que celle-ci était recouverte d’une cire hydrophobe tout comme le reste de la carapace. (Front Zool, 7, 23, 2010). Ce qui a conduit l’équipe de Harvard à émettre l’hypothèse que la géométrie des bosses suffit à optimiser la condensation.

Pour vérifier leur hypothèse, les chercheurs ont fabriqué par impression 3D une surface de quelques millimètres de côté constituée d’une fine couche d’aluminium qui reproduit les bosses de l’insecte. Ils ont alors observé que le diamètre des gouttes formées à leur sommet est supérieur à celui des gouttes condensées sur les zones planes de la même surface. En augmentant la courbure des bosses, ils sont parvenus à former des gouttes plus grosses encore et qui grandissent plus rapidement. « Ce qui offre un nouveau mécanisme de compréhension du captage de l’eau par ces scarabées », explique Laurent Courbin, de l’Institut de physique de l’université de Rennes.

Pour optimiser la collecte de ces gouttes, les physiciens ont modifié la géométrie de l’un des côtés des bosses de manière à former une pente « asymétrique » qui, comme dans le cas des épines de cactus, s’élargit vers sa base. Après une série de traitements chimique et thermiques, l’ensemble a été recouvert d’un revêtement glissant imitant celui des Nepenthes et permettant aux gouttes de dévaler la pente sans s’y accrocher. Sur leur chemin, elles rencontrent les gouttes plus fines qui s’y sont formées et grossissent aussi en fusionnant.

« En moins d’une heure, on récupère ainsi un volume d’eau environ dix fois supérieur qu’avec les surfaces planes précédemment fabriquées en laboratoire ! » pointe Laurent Courbin. Une avance intéressante notamment pour le développement de récupérateurs de brume installés dans les régions ou les pluies sont rares, comme en Amérique du Sud. De tels collecteurs permettraient de récupérer un maximum d’eau en un minimum de temps ».

Source : La Recherche, n° 511, mai 2016, signé Oriane Dioux.

*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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