Intrication quantique dans un système biologique réel
L’avenir de l’énergie solaire propre pourrait bien dépendre de la capacité des scientifiques à percer les mystères de la photosynthèse, processus par lequel les plantes vertes transforment la lumière solaire en énergie électrochimique. À cette fin, les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l’Université de Californie (UC) ont observé et caractérisé pour la première fois un phénomène physique critique de la photosynthèse connu sous le nom d’intrication quantique.
Des expériences antérieures menées par Graham Fleming, physico-chimiste, ont souligné que des effets quantiques étaient la clé du phénomène de photosynthèse. Lors de la photosynthèse, les plantes vertes transfèrent l’énergie solaire presque instantanément des complexes collecteurs de lumière aux molécules dans les centres de réaction électrochimique. Une nouvelle équipe de collaboration comprenant Graham Fleming ont identifié l’intrication comme une caractéristique naturelle de ces effets quantiques. Leur travail est publié dans la revue Nature Physics . Lorsque deux particules de taille quantiques, par exemple une paire d’électrons, s’enchevêtrent, toute modification apportée à l’un sera immédiatement répercutée sur l’autre, peu importe à quelle distance ils se retrouvent. Bien que physiquement séparés, les deux particules se comportent comme une seule entité.
Analyse du graphène par interférométrie basée sur l’effet moiré
À l’aide d’une série d’expériences novatrices, des scientifiques aux États-Unis sont parvenus à développer une nouvelle méthode d’analyse de la façon dont les feuilles de graphène sont empilés les unes sur les autres. La technique est également approprié pour déterminer quelles zones du composé sont soumises à la plupart des contraintes, lorsque le matériau est placé à l’intérieur de structures plus complexes. Tout cela peut être déduit à l’aide des motifs de moiré, des motifs d’interférences qui apparaissent à l’échelle atomique lorsque deux couches superposées d’atomes sont décalées légèrement (image courtoisie de la NIST).
L’équipe de recherche qui a mené les travaux est composée de physiciens des Etats-Unis en provenance du National Institutes of Standards and Technology (NIST) et du Georgia Institute of Technology (Georgia Tech). Les experts disent que les motifs de moiré peuvent être également utilisés dans l’analyse de structures composées de plus de deux couches d’atome. Ils ajoutent que l’utilisation de l’interférométrie basée sur l’effet moiré peut aider les scientifiques à déterminer l’orientation de rotation des feuilles de graphène utilisés dans une variété d’applications technologiques. Leur travail est publié dans le journal Physical Review B .
Nouvelles perspectives pour les piles solaires
Les piles solaires les plus performantes, composées d’un matériau semi-conducteur tel que le silicium, ont été élaborées en Suisse au début des années 90. Comme dans le cas des piles électrochimiques conventionnelles, les piles solaires sont constituées d’une cathode, un catalyseur à base de platine, et d’une anode, une couche poreuse formée à partir de nanoparticules de dioxyde de titane et recouverte d’un colorant qui absorbe la lumière du soleil. Un liquide conducteur, l’électrolyte, est placé entre les deux électrodes.
Malgré l’utilisation de matériaux pour la plupart peu coûteux, facile à fabriquer et flexible, la commercialisation à grande échelle de ces piles se confronte à deux obstacles majeurs. L’électrolyte est très corrosif, ce qui entraîne une carence en durabilité. Il est aussi très coloré, empêchant ainsi la lumière de pénétrer efficacement et limitant le photo-voltage à 0,7 volts. De plus, le platine est un matériau cher, non-transparent et rare.
Transport et dissipation de l’énergie dans les dispositifs nanométriques
Comprendre le transport et la dissipation de l’énergie dans les structures nanométriques est d’une grande importance pour la conception des circuits à haut rendement énergétique et des systèmes de conversion d’énergie. C’est aussi un domaine riche en découvertes fondamentales à l’intersection des interactions entre électrons, réseau (phonons) et optique (photons). Un article de synthèse publié dans NanoResearch présente les progrès récents dans la compréhension et la manipulation du transport et de la dissipation d’énergie à l’échelle nanométrique pour les structures à l’état solide.
Certains des plus grands défis de la société moderne sont liés à la consommation d’énergie, sa dissipation ainsi que son gaspillage. Parmi ces défis, les technologies actuelles et futures basées sur les nanomatériaux et les dispositifs à l’échelle nanométriques ont un grand potentiel pour améliorer la conservation de l’énergie, sa conversion ou sa récolte. Un exemple bien connu est celui de l’électronique intégrée, où les questions de dissipation de puissance posent depuis tout récemment un défi de taille. La dissipation de puissance limite les performances de l’électronique, du dispositif de poche (~ 10-3 W) jusqu’aux centres de données massifs (~ 109 W).
Une enzyme du sang permet la désagregation des nanotubes
Une étude sur les nanotubes de carbone financée par l’Union Européenne et réalisée par des scientifiques de l’Irlande, la Suède et des États-Unis a montré que ces molécules extrêmement solides peuvent être décomposées en carbone et en eau par une enzyme présente dans les globules blancs. La découverte, publiée dans la revue Nature Nanotechnology, offre l’espoir que ce nouveau matériau puisse être exploité en toute sécurité dans la médecine et l’industrie.
Les conclusions sont l’un des résultats du programme NANOMMUNE (‘Evaluation complète des effets dangereux des nanomatériaux sur le système immunitaire’), financé par le thème NMP (‘Nanosciences, nanotechnologies, matériaux et nouvelles technologies’) du septième programme cadre de l’UE (7e PC).
Etude des symétries dans des monocouches de colloïdes
La nature aime certaines symétries, mais en abhorre d’autres. Les solides ordonnés présentent souvent une symétrie de rotation d’ordre 6. Pour réaliser ce type de symétrie, les atomes d’un même plan de s’entourent de six atomes voisins dans un arrangement similaire à celui trouvé dans un nid d’abeilles. Par opposition à cela, des matériaux ordonnés avec une symétrie de rotation d’ordre 7, 9 ou 11 ne semblent pas exister dans la nature.
Des chercheurs de l’Institut Max Planck, de l’Université de Stuttgart et de la Technische Universität Berlin ont découvert la cause de ce phénomène lorsqu’ils ont tenté d’imposer une symétrie de rotation d’ordre 7 sur une couche de particules colloïdes chargées en utilisant des champs laser intenses : l’émergence de structures ordonnées exige la présence de noyaux auxquels les atomes avec la symétrie correspondante peuvent se joindre. De tels noyaux peuvent être trouvés en grand nombre pour les symétries privilégiées par la nature. Par contre, ils n’apparaissent que de façon sporadique dans une configuration avec un symétrie de rotation d’ordre 7.
Les chercheurs génèrent des pattern de lumière comme ceux montrés dans l’image ci-dessus en superposant plusieurs faisceaux laser (Photo: Jules Mikhael, Université de Stuttgart). Des structures en forme de fleur se créent dans les reliefs laser et agissent comme noyau avec une symétrie forcée (en haut à gauche: symétrie d’ordre 5; en haut à droite: symétrie d’ordre 6; en bas à gauche: symétrie d’ordre 7; en bas à droite: symétrie d’ordre 8).
Mécanisme clef et verrou pour l’auto-assemblage de particules
Des physiciens du Center for Soft Matter Research de l’Université de New York ont créé des particules colloïdes pouvant se lier entre elles selon leur forme plutôt que seulement selon le fruit du hasard. Leur travail, publié dans la revue Nature, constitue une premier succès dans la programmation d’un tel mécanisme d’assemblage des particules colloïdales et pourrait favoriser la création de matériaux synthétiques.
Le graphique ci-dessus présente la façon dont les chercheurs ont développé le mécanisme d’auto-assemblage permettant à des particules spécifiques de se lier entre elles (image fournie par Nature). « Nous nous attendons à ce que ce type d’interaction offre de nouvelles possibilités sans précédent pour l’ingénierie de particules composites intelligentes, de nouveaux matériaux fonctionnels et des machines microscopiques avec des pièces mobiles, » écrivent les chercheurs.
Les secrets cristallographiques du corail rouge
Une équipe internationale de scientifiques a révélé pour la première fois que les organismes vivants sont organisées pour produire des biominéraux organisés à huit échelles différentes. L’enquête a porté sur le squelette du corail rouge de la Méditerranée. Ce corail, photographié ci-contre par Joaquim Garrabou, a un ordre cristallographique presque parfait à l’échelle nanométrique et pourrait aider au développement de nouveaux matériaux.
« Cette recherche sur le corail rouge met en évidence pour la première que des biominéraux (minéraux synthétisés par des organismes vivants) ont un ordre composé de huit hiérarchies cristallographiques », explique Joaquim Garrabou, biologiste et co-auteur d’étude de l’Institut des sciences del Mar (CSIC), « de sorte que chaque module est constitué de plus petits et à leur tour, sont des éléments des plus grands.
L’étude, publiée dans la revue American Mineralogist, est dirigée par des chercheurs du Centre interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (France) en collaboration avec le California Institute of Technology (États-Unis). Le travail est axé sur le corail rouge (corallium rubrum), un invertébré des fonds rocheux de la Méditerranée et de l’Atlantique oriental.
Un matérieau polymère capable de dissiper la chaleur
La plupart des polymères – matériaux constitués de longue chaîne de molécules semblables – sont de très bon isolants à la fois thermiques et électriques. Mais une équipe du MIT a trouvé une façon de transformer le polymère le plus largement utilisé, le polyéthylène, en un matériau conduisant aussi bien la chaleur que la plupart des métaux, tout en demeurant un isolant électrique.
L’illustration de gauche présente l’enchevêtrement des filaments de polymère avec les zones isolantes marquées par des taches sombres. Lorsque étiré et chauffé pour lui donner la forme d’un fin fil (illustration de droite), les molécules s’alignent et les zones isolantes sont compressées ce qui rend le matériau un bon conducteur thermique (illustrations produites par Gang Chen).
Ce nouveau processus entraîne le polymère à conduire la chaleur très efficacement dans un seul sens contrairement aux métaux, qui eux, conduisent la chaleur aussi bien dans toutes les directions. Cela pourrait rendre le nouveau matériau particulièrement utile pour les applications où il est important de tirer de la chaleur en dehors d’un objet, tel qu’un processeur d’ordinateur. Ces travaux sont décrits dans un article publié dans Nature Nanotechnology.
Ondes thermoélectriques propulsées par réaction chimique
Une équipe de scientifiques du MIT a découvert un phénomène précédemment inconnu qui permet de transporter de puissantes vagues d’énergie le long des nanotubes de carbone. Cette découverte pourrait conduire à une nouvelle façon de produire de l’électricité, disent les chercheurs.
Le phénomène, décrit comme une onde thermoélectrique, « ouvre un nouveau domaine de recherche sur l’énergie, ce qui est rare », dit Michael Strano, auteur principal d’un article décrivant cette nouvelle découverte dans la revue Nature Materials. L’auteur principal est Wonjoon Choi, étudiant au doctorat en génie mécanique.
Un nanotube de carbone (voir illustration réalisée par Christine Daniloff) peut produire très rapidement une vague de puissance quand il est recouvert par une couche de carburant et allumé, de sorte que la chaleur se déplace le long du tube. Comme une collection d’épaves propulsé sur la surface de l’océan par des ondes progressives, il s’avère qu’une onde thermique voyageant le long d’un fil microscopique peut transporter les électrons, créant ainsi un courant électrique.