Les images de cette vidéos proviennent de photos prises à bord de la station spatiale internationale, l’ISS. Il s’agit d’un exercice classique mais que le photographe Knate Myers réalise avec un talent de metteur en scène de film de science fiction. La musique de John Murphy extraite du film Sunshine contribue à la réussite de la vidéo. On pense souvent à 2001 L’Odyssée de l’espace, bien entendu, pendant les passages en accéléré. Et l’on découvre cette Terre nocturne embrasée par ce qui ressemble à des volcans en éruption crachant des torrents de lave. Les villes et leur éclairage tourné vers les étoiles… Et puis ces jeux de lumière dans l’atmosphère, aurores boréales prenant, vues de l’espace, des allures de sortilèges maléfiques. Enfin, la couche de l’atmosphère, dont la finesse et la fragilité surprend toujours. Un bon moment, donc, à quelque 400 km d’altitude, qu’il faut déguster plein écran et en 720p, après avoir attendu le chargement complet de la vidéo. Une patience récompensée par le spectacle.

Michel Alberganti

Les rayons du soleil révèlent le nuage émis par une locomotive à bio-diesel

Comme les milliards de particules qui peuplent l’air que nous respirons, surtout en ville, les suies émises par les moteurs diesel font particulièrement débat depuis que l’Organisation mondiale de la santé (OMS) les a classées comme cancérogènes certains pour l’homme (lire l’article de Gilles Bridier à ce sujet). L’une des difficultés pour appréhender ce type de pollution atmosphérique réside dans son caractère invisible et souvent inodore. Or, on le sait bien, ce que l’on ne voit pas est moins inquiétant que ce que l’on voit. Pourtant, ces particules, dangereuses pour la santé, jouent également un rôle dans le changement climatique. D’où l’intérêt de pouvoir mieux les observer. C’est justement le but des travaux publiés par le Centre pour le laser à électrons libres (CFEL) de Hambourg dans la revue Nature de cette semaine.

Laser à rayon X

“Pour la première fois, nous pouvons réellement voir la structure de particules individuelles flottant dans l’air, leur habitat naturel”, déclare Henry Chapman, un chercheur de l’Électron-synchrotron allemand (DESY), membre du CFEL. Pour y parvenir, les scientifiques ont dû trouver un moyen plus efficace que la lumière visible  ou les rayons X. Finalement, la solution a été apporté par le plus puissant laser à rayon X actuel, le LCLS, issu de l’accélérateur SLAC fondé par le ministère de l’énergie américain (DOE) à Stanford. De tels lasers utilisent les électrons libres, c’est à dire non liés à un atome, produits par un accélérateur de particules. Au LCLS, ces électrons émettent ensuite des photons ayant la longueur d’onde des rayons X. A Hambourg, un système similaire est en cours de construction, le XFEL, qui doit entrer en service en 2015. Il existe également un projet de ce type en France en collaboration avec le Synchrotron Soleil.

Le principe du laser à électrons libres

Particules de moins de 2,5 microns

La partie dans laquelle les électrons ondulent mesure de 3 à 4 km, ce qui fait du laser à électrons libres un instrument qui n’est pas vraiment portatif… Néanmoins, les chercheurs du CFEL sont parvenus à une première sur les particules de moins de 2,5 microns (millièmes de mm) qui correspondent à celles qui pénètrent dans nos poumons et qui arrivent en seconde position, après le CO2, parmi les acteurs du réchauffement climatique. Pour l’expérience, les chercheurs ont fabriqué eux-mêmes des particules de suie à partir d’un morceau de graphite et ils les ont dispersées, mélangées à du sel, dans un flux d’air. C’est cet aérosol qui a été intercepté par le rayon laser à électrons libres. L’interaction entre les pulsations du laser et les particules ont produit une diffraction de la lumière que les scientifiques ont enregistrée. A partir de ces motifs de diffraction, ils sont capables de reconstituer la structure de la particule qui les a engendrés.

Les figures de diffraction rendent visible la structure de particules de suie

“La structure des particules détermine comment elle disperse la lumière”, explique Andrew Martin, un autre signataire de l’étude travaillant au DESY. “Et ce phénomène explique comment l’énergie solaire est absorbée par l’atmosphère terrestre et joue ainsi un rôle majeur dans les modèles climatiques. De même, il existe de nombreux liens entre ces particules d’environ 2 microns et les effets négatifs sur la santé”, note le chercheur. Grâce au laser à électrons libres, la forme et la composition de particules individuelles ont pu être analysées. Cela pourrait permettre de mieux comprendre comment elles interfèrent avec les fonctions des cellules dans les poumons.

Dimension fractale importante

L’équipe du CFEL a ainsi analysé 174 particules dont elle a également mesuré la compacité en utilisant une propriété appelée “dimension fractale” et qui décrit comment un objet rempli l’espace. Les chercheurs ont été surpris par les valeurs obtenues, supérieures à ce qu’ils attendaient. La preuve d’une compacité importante. De même, la structure des particules s’est révélée étonnamment variable ce qui révèle un nombre important de déformations dans l’air.

Réchauffement climatique et suies de moteurs diesel

Ces travaux laissent entrevoir la possibilité de mieux visualiser l’évolution de la formation des suies dans un moteur diesel, par exemple, et même d’analyser les premières étapes de la formation des cristaux de glace dans les nuages. Ils pourraient affiner les modèles climatiques qui en ont besoin en matière d’interaction entre l’énergie solaire et l’atmosphère terrestre. Pour les constructeurs automobiles, de précieuses informations sur les fameuses suies émises par les moteurs diesel pourraient permettre d’en réduire la quantité ou d’en atténuer la dangerosité pour la santé humaine.

Michel Alberganti

Ceux qui ont vécu la progression des capteurs électroniques utilisés dans les appareils photo numériques (APN) et les caméscopes ne connaissent désormais plus qu’une unité: le mégapixel. Qui se souvient encore du Mavica lancé par Sony, le tout premier APN avec ses 280 000 pixels ? Ou du Xapshot de Canon (1989) ? Ou encore du QuickTake d’Apple (1994) et ses 300 000 pixels ? Il faut attendre 1999 pour que les professionnels puissent acquérir un APN dépassant le million de pixels, le Nikon D1 avec 2,7 mégapixels. Les années 2000 seront celles de la course aux mégapixels avec des résultats mitigés, tant le nombre de pixels ne doit pas faire oublié leur qualité. Or, plus les pixels sont petits, moins ils captent de lumière. Des millions de pixels sur un capteur minuscule donne ainsi des résultats inférieurs à un nombre de pixels inférieur sur un grand capteur. D’où la nouvelle course, engagée depuis quelques années, celle de la taille des capteurs avec, comme objectif, le fameux format 24×36 mm de la bonne vieille pellicule argentique. Se profile aujourd’hui, la perspective de la généralisation d’appareils munis d’un tel capteur, dit “plein format”, dotés de 30 à 40 mégapixels contre moins de 20 aujourd’hui à de rares exceptions comme le récent Nikon D800 avec ses 36,3 mégapixels vendu à près de 3000 euros nu.

Tout cela pour préciser le contexte dans lequel arrive la publication, dans la revue Nature du 20 juin 2012, d’un article publié par des ingénieurs de l’université Duke et de l’université d’Arizona. En synchronisant 98 micro appareils photo, ils sont parvenus à obtenir des images de 50 gigapixels, soit 50 0000 mégapixels… Avec une définition 1000 fois supérieure à celle des meilleurs appareils actuels, les chercheurs multiplient par 5 la résolution des meilleurs yeux humains. Cela sur un champ de vision de 120° (contre 220° pour l”homme).

David Brady, qui dirige l’équipe, explique que “chacune des micro appareils photo capture les informations provenant d’une partie de la scène tandis qu’un ordinateur réalise la fusion de ces images en une seule image de très haute définition. Dans ce nombreux cas, l’appareil peut capter des détails que le photographe ne voit pas à l’œil nu et qu’il découvre ensuite en regardant l’image”. D’après lui, même s’il faudra développer des optiques spéciales, le problème principal viendra de la maîtrise de la consommation électrique et de la miniaturisation des circuits électroniques.

Le logiciel d’assemblage des différentes images a été réalisé par Michael Gehm, professeur assistant d’électricité et d’informatique à l’université d’Arizona. “Notre approche actuelle, au lieu de créer des optiques de plus en plus complexes, est d’utiliser des réseaux d’éléments électroniques massivement parallèles. Un objectif partagé capte la lumière et la répartit sur les micro caméras, exactement comme une réseau informatique gère les données destinées à différentes stations de travail. Chacune de ces dernières ne voit qu’une petite partie du problème à traiter . Pour l’image, nous prévoyons des parties de recouvrement qui permettent de ne pas perdre d’information”, indique-t-il.

L’appareil prototype mesure 50 cm de profondeur dont 3% seulement sont affectés à l’optique. Le reste est occupé par l’électronique qui se charge d’assembler les différentes parties de l’image. David Brady précise que la taille actuelle est liée à celle des cartes électroniques de contrôle et à la nécessité de les refroidir. “Lorsque des composants électroniques plus compacts et plus efficaces seront disponibles, l’ère de la photographie gigapixel s’ouvrira”, affirme-t-il. Les chercheurs estiment ainsi que, d’ici 5 ans, la miniaturisation des composants électroniques permettra de proposer des appareils photos gigapixel  au grand public.

Michel Alberganti

Il ne s’agit pas d’une mauvaise photo d’un ballon de foot ou de jantes de roue de voiture… Il s’agit d’une “bonne” photo de la molécule olympicene créée  par le laboratoire d’IBM à Zurich spécialement pour célébrer les Jeux Olympiques 2012 qui vont se dérouler à Londres du 27 juillet au 12 août. Les chercheurs ne cachent pas leur arrière-pensée: utiliser l’événement sportif le plus populaire au monde pour faire parler de science… On peut se demander si une telle stratégie révèle une sorte de désarroi des scientifiques vis à vis de la place de leur discipline dans les préoccupations des citoyens du monde et dans les choix des étudiants en matière de filière de formation supérieure.

Il reste de l’olympicene constitue une belle performance de chimiste et de technicien de l’imagerie scientifique. La taille de la molécule, dont la formule chimique est C19H12, est en effet 100 000 fois inférieure à celle d’un cheveu humain. Il s’agit ainsi de la plus petite création d’une structure de matière représentant les 5 anneaux des JO.

Le défi scientifique consistait a obtenir volontairement une telle structure et de la prendre en “photo”. Il a été relevé par une équipe comprenant des chercheurs de la Royal Society of Chemistry (RSC), l’université de Warwick et d’IBM Research à Zurich. L’olympicene fait partie de la base de données de molécules ChemSpider, accessible en ligne, et qui en comprend plus de 26 millions.

La molécule a été obtenue à partir de couches uniques de graphite, c’est à dire de graphène, le matériau décidément très à la mode. Outre le challenge et l’impact symbolique, l’olympicene trouvera peut-être des applications dans les capteurs solaires ou la micro-électronique.

Mais combien de sportifs des JO 2012 connaîtront son existence ?

Michel Alberganti