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

La 25e Conférence internationale sur la physique des neutrinos et l’astrophysique, qui s’est tenue le 8 juin 2012 à Kyoto, a permis de clore l’une des plus étonnantes “histoires de science” de ces dernières années. Rappel des épisodes précédents… et épilogue :

1 – 23 septembre 2011: Le CERN annonce que les 15000 neutrinos de l’expérience OPERA, qui ont franchi les 730 km qui séparent le laboratoire de Genève et celui du Gran Sasso en Italie, sont arrivés avec 60 nanosecondes d’avance sur le temps qu’aurait mis la lumière pour parcourir la même distance. Les physiciens sont stupéfaits ou sceptiques. La théorie de la relativité d’Einstein vacille et, avec elle, l’un des piliers de la physique actuelle. Nous en débattons dans l’émission Science Publique du 7 octobre 2011.

2 – 18 novembre 2011: Le CERN refait l’expérience et obtient un résultat identique. Les neutrinos dépassent toujours la vitesse de la lumière.

3 – 23 février 2012: Le CERN identifie deux erreurs de manipulation possibles et annonce une nouvelle expérience pour le mois de mai 2012.

4 – 16 mars 2012: Le CERN annonce avoir refait le calcul du temps de vol des neutrinos:  En fait, ils ne dépassent pas la vitesse de la lumière. Tout rentre dans l’ordre…

5 – 8 juin 2012, épilogue: A Kyoto, Sergio Bertolucci, directeur de la recherche au CERN, confirme que la vitesse des neutrinos est compatible avec la limite de la vitesse de la lumière et déclare: « Même si ce résultat n’est pas aussi sensationnel que certains l’auraient souhaité, il correspond à ce que nous attendions tous au fond de nous-mêmes. La nouvelle avait frappé l’imagination, et elle a été pour le public l’occasion de voir en action ce qu’est la méthode scientifique : un résultat inattendu a été soumis à l’examen des scientifiques, a été étudié en détail, et la solution a été trouvée en partie grâce à la collaboration entre des expériences qui sont normalement concurrentes. C’est ainsi que la science avance ! »

Conclusion: Le récit de Sergio Bertolucci fait la part belle au CERN dans cette affaire. C’est tout juste s’il ne se félicite pas d’avoir contribué à montrer au public médusé comme fonctionne la “méthode scientifique”. On peut admirer un art consommé de la récupération d’une situation que d’aucun pourrait qualifier, sans doute avec un regrettable mauvais esprit, d’exemple spectaculaire de bourde expérimentale. L’une des plus improbables de l’histoire de la physique. En effet, voici l’un des laboratoires les plus prestigieux de la planète, le CERN de Genève, qui affirme, en septembre 2011: “Bien que nos mesures aient une incertitude systématiquebasse et une précision statistique élevée et que nous ayons une grande confiance dans nos résultats, nous sommes impatients de les comparer avec ceux d’autres expériences.” Les termes employés semblent, aujourd’hui, cruellement manquer de prudence. D’autant que l’expérience refaite en novembre 2011 donne les mêmes résultats révolutionnaires… Et qu’il faut attendre 3 mois pour que la piste d’une erreur soit enfin évoquée et un mois supplémentaire pour aboutir au résultat final: les neutrinos ne dépassent pas la vitesse de la lumière et les premières mesures sont dues à une erreur d’expérience (problème avec un connecteur à fibres optiques).

Habile rhétorique

De là à transformer cette bourde en un exemple de méthode scientifique en action, il y a un grand pas que Sergio Bertolucci franchit grâce à une interprétation assez contestable de la réalité. On voit mal comment les scientifiques du monde entier aurait pu détecter une mauvaise connexion d’une fibre optique au CERN… En revanche, le résultat révolutionnaire initial a engendré des centaines de publications scientifiques sur les possibles erreurs de calculs et sur les conséquences pour la physique d’une violation de la limite de la vitesse de la lumière… Au final, on admirera surtout la rhétorique de Sergio Bertolucci… Sauf à considérer qu’elle immole un peu trop la vérité des faits sur l’autel de la défense de l’image de marque du CERN. Mais soyons persuadé qu’aucun des chercheurs présents à Kyoto n’a été dupe.

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

Il y a eu les shadoks qui pompaient, pompaient… Demain, il y a aura peut-être les virus qui se tortillent, se tortillent et… rechargent nos téléphones, nos lecteurs MP3, nos ordinateurs portables ou nos caméras vidéo. Telle est la surprenante promesse de chercheurs du laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Ils sont en effet découvert que certains virus, inoffensifs pour l’homme, peuvent produire de l’électricité lorsqu’ils sont soumis à une pression mécanique. Ces virus sont tout simplement piézoélectriques. Cette propriété a été découverte en 1880 par Pierre et Jacques Curie, alors âgés de 21 et 25 ans. Elle existe dans certains cristaux, de quartz en particulier, qui produisent de l’électricité lorsqu’ils sont soumis à une légère pression. D’où les montres à quartz (qui utilisent cet effet à l’envers), mais également les briquets, les moteurs d’autofocus, les microphones de guitare, les télécommandes sans piles… De modestes applications en apparence mais qui ont tout de même généré, selon Wikipédia, un marché de près de 15 milliards de dollars en 2010.

Structure et dimensions (en nanomètres) du virus bactériophage M13

Mais revenons à nos virus. Seung-Wuk Lee, chercheur au Berkeley Lad et professeur associé de bio ingénierie à l’université de Berkeley, et ses collègues ont travaillé sur des virus baptisé M13 et qui ont la propriété de se nourrir exclusivement de bactéries. Par nature, il se réplique à des millions d’exemplaires en quelques heures ce qui peut être un avantage dès lors qu’il évite de le faire à l’intérieur du corps humain. Ce qui est le cas. Par ailleurs, le M13 peut être facilement génétiquement modifié. Sa structure en forme de bâtonnet favorise également son placement en rang bien ordonnés à l’intérieur d’un film, comme des crayons rangés dans une boite. Enfin lorsqu’on leur applique un champ électrique, les protéines hélicoïdales qui couvrent la surface du virus se mettent à se tordre et à se tortiller. Justement la réaction que les chercheurs attendaient car elle révèle la propriété piézoélectrique des virus M13. A l’inverse, soumis à une pression, les virus peuvent produire de l’électricité.

L’hélice des protéines

Afin d’améliorer l’efficacité de ce nouveau générateur, l’équipe de Seung-Wuk Lee a gonflé leur moteur: quatre résidus d’acide aminé (glutamate) chargés négativement fixés à l’extrémité de l’hélice des protéines de surface ont faire l’affaire. C’est toute la beauté, parfois inquiétante, de l’ingénierie génétique que de ressembler à de la mécanique automobile… pratiquée sur des organismes vivants. Ainsi, dopés, les M13 fournissent un voltage plus important. Mais, bon, il en faut un certain nombre pour que leur travail soit exploitable par… nous.

Assez d’électricité pour afficher le chiffre 1

Qu’à cela ne tienne. Les chercheurs ont réalisé des films constitués par une couche unique de virus. Et ils les ont empilées. D’après leurs essais, c’est une épaisseur de 20 couches qui donne les meilleurs résultats. Après ce travail de nano mécanique, il restait à tester cette nouvelle “pile à virus OGM”. Avec un peu d’entrainement, les virus ont appris à s’organiser spontanément à l’intérieur d’un film multicouches d’un centimètre carré de surface. Pris en sandwich entre deux électrodes plaquées or, le film a été connecté par des fils à un écran à cristaux liquides. Lorsqu’une pression est appliquée sur le sandwich, une tension de 400 millivolts et un courant de 6 nanoampères sont délivrés par le dispositif… Soit le quart de la tension fournie par une pile AAA. Suffisant pour afficher le chiffre 1 sur l’écran.

Pas de quoi fermer une centrale nucléaire mais il ne s’agit là que d’une démonstration de principe qui fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Nanotechnology du 13 mai 2012. Le nouvel objectif de Seung-Wuk Lee est d’améliorer les performances du dispositif. Mais il se déclare confiant pour l’avenir: “Les outils des biotechnologies permettent de produire à grande échelle des virus génétiquement modifiés, les matériaux piézoélectriques basés sur les virus peuvent ouvrir de nouvelles voies à la microélectronique dans le futur”, déclare-t-il.

Pile à virus OGM

Outre l’originalité de l’utilisation d’organismes vivants pour produire de l’électricité exploitable par l’homme, les promesses de la pile à virus OGM de Berkeley s’inscrivent dans les multiples tentatives récentes visant tirer profit de sources d’énergie aussi gratuites et inépuisables que le soleil et le vent. Avec une différence notable: c’est l’énergie mécanique produite par l’homme lui-même qu’il s’agit de récolter. Imaginez que l’on puisse capter une partie de l’énergie produite par le passage du public dans un hall de gare ou dans les couloirs du métro. Chaque pas, chaque mouvement du corps humain pourrait devenir une source d’électricité grâce… à la piézoélectricité. D’où les projets de tapis récoltant le courant produit par la pression des chaussures (vidéo ci-dessous). Cette récolte d’énergie mécanique représenterait déjà un marché de 605 millions de dollars en 2010 et pourrait atteindre 4,4 milliards de dollars d’ici 2020, selon un article publié en mars dans le journal Applied Physics Letters.

Et pourquoi ne pas incorporer ces dispositifs dans les chaussures elles-mêmes ? Le générateur de Seung-Wuk Lee pourrait s’y loger facilement. Ou s’intégrer dans le tissu d’une veste, ou d’un pantalon. Et nous rechargerions nos téléphones en marchant, en bougeant ! Et en espérant échapper aux nanoturbines dans les narines…

Michel Alberganti

Mère Nature est loin d’avoir livré tous ses secrets aux scientifiques. Après l’avoir longtemps ignorée ou méprisée, les chercheurs se tournent désormais de plus en plus souvent vers elle pour la copier (biomimétisme, biorobotique…). Une façon de ne pas réinventer la roue… Il pourrait en être de même avec les cellules solaires. Après avoir développé le photovoltaïque qui transforme directement l’énergie solaire en électricité, certains chercheurs travaillent sur la création de feuilles artificielles. Il s’agit tout simplement de réaliser un processus qui s’inspire de la photosynthèse à l’oeuvre dans les feuilles des plantes. Ces dernières fonctionnent avec deux ressources très abondantes: l’eau et la lumière. Véritables capteurs solaires, les feuilles fournissent l’énergie dont les plantes et les arbres ont besoin pour vivre. Pourquoi un tel système, breveté par la nature, ne pourrait-il pas nous apporter les mêmes services ? C’est la question que s’est posée Daniel Nocera, professeur d’énergétique et de chimie au Massachusetts Institute of Technology, le MIT. Sa réponse : la feuille artificielle.

Hydrogène, le retour

Daniel Nocera, professeur au MIT

Il s’agit pas d’une dénomination légèrement abusive. La feuille de Daniel Nocera ne ressemble que vaguement à l’original. Et son fonctionnement ne lui est fidèle que dans son principe. Contrairement à son homologue naturel, son carburant n’est pas l’air et le CO2 qu’il contient mais l’eau dans laquelle elle est plongée. Éclairée par le soleil, la feuille artificielle produit de l’oxygène et, surtout, de l’hydrogène. Et qui dit hydrogène dit énergie. En effet, les piles à combustibles prennent le relais et transforment l’hydrogène en eau et en électricité. On pourrait alors penser que la feuille artificielle introduit une étape inutile par rapport à la cellule photovoltaïque qui réalise directement la conversion soleil-électricité. En réalité, cette étape se révèle très précieuse. En effet, la production d’hydrogène permet de stocker l’énergie électrique que la même façon que le pétrole. Pour faire de même avec les cellules photovoltaïques, on fait appel à des batteries. Ce qui remet les deux processus à égalité, avec trois étapes chacun. Toutefois, malgré les progrès des batteries au lithium par exemple, l’hydrogène est considéré par certains, comme Jeremy Rifkin,  comme le carburant du futur grâce à sa très importante densité d’énergie (rapport entre la masse et l’énergie emmagasinée) et malgré les risques d’explosion que les spécialistes estiment maîtrisables.

Plongée dans un récipient d’eau et éclairée par de la lumière, la feuille artificielle produit en permanence des bulles de gaz (oxygène et hydrogène). Cela semble un peu miraculeux. Le système résout l’un des problèmes majeurs de l’hydrogène: l’importante quantité d’énergie nécessaire pour l’extraire de l’eau avec les techniques classiques (hydrolyse). Ici, l’énergie est fournie par le soleil. Et le système semble très stable. Il a montré qu’il peut fonctionner pendant plus de 40 heures. Comment réaliser une telle alchimie ? Comment ça marche !?

La feuille artificielle de Daniel Nocera

De la chimie impénétrable

Daniel Nocera explique ses derniers progrès dans un article publié le 4 avril 2012 dans la revue Accounts of Chemical Research. Etant donné qu’il s’agit essentiellement de chimie, le processus est totalement incompréhensible, impénétrable pour le commun des mortels. Les spécialistes apprécieront… Nous nous contenterons de noter que la feuille artificielle est composée d’un sandwich constitué par, d’un coté, du silicium amorphe photovoltaïque qui se charge d’isoler l’hydrogène grâce aux photons fournis par la lumière et, de l’autre coté, par un assemblage de cobalt et de phosphate. Entre les deux, un alliage ternaire (nickel, molybdène, zinc, joue le rôle de catalyseur. Au final, ce morceau de silicium recouvert de deux couches d’alliages métalliques suffit pour séparer l’oxygène et l’hydrogène de l’eau… Et l’on peut, selon Daniel Nocera, produire assez d’énergie pour alimenter une maison avec moins de 4 litres d’eau (un gallon) par jour dans les pays ensoleillés… Soleil, eau, feuille artificielle, hydrogène, pile à combustible, électricité. Le tour est joué…

Tata sur le coup

Avant d’arriver à ce “petit” miracle, juste capable de résoudre le problème de la fourniture d’une énergie verte en quantité illimitée à moindre coût, il faudra résoudre quelques problèmes techniques. Récupérer l’hydrogène, par exemple. Mais gageons les enjeux vont stimuler les techniciens… et les industriels. Justement, l’un d’entre eux, et pas de moindre puisqu’il s’agit du groupe indien Tata (100 sociétés dans 80 pays, 425 000 salariés, 83,3 milliards de dollars de chiffre d’affaires) va construire une petite centrale, de la taille d’un réfrigérateur, d’ici fin 2012, selon Wired UK.

L’énergie personnalisée

En attendant, Daniel Nocera milite. Il ne s’agit pas seulement d’un scientifique potentiellement génial – si la feuille artificielle fonctionne, il devrait avoir le prix Nobel -, c’est aussi un orateur qui plaide pour le développement de “l’énergie personnalisée”. C’est à dire le modèle exactement inverse de celui, très centralisé, que nous utilisons aujourd’hui. Pour lui, demain, chacun produira l’énergie dont il a besoin. Cela paraissait difficile d’y parvenir avec les technologies vertes (solaire, éolien, biomasse, géothermie…). Mais la feuille artificielle pourrait apporter une solution capable, un jour peut-être assez proche, de nous permettre le rompre le cordon ombilical qui nous relie à… EDF.

Michel Alberganti

Une représentation du graphène

Son nom ne vous dit peut-être rien. Pourtant, d’ici quelques années, il pourrait devenir aussi célèbre que le plastique ou le silicium. Il s’agit du graphène. On discerne une parenté avec le graphite et on a raison. Il s’agit d’un matériau absolument révolutionnaire, un cristal constitué par une seule couche d’atomes de carbone. Oui, vous avez bien lu. Une seule couche d’atomes, ce qui en fait le matériau le plus fin possible. On exprime aussi cette finesse ultime en parlant de premier matériau en deux dimensions (2D). Cela peut paraître abusif mais, bon, une hauteur d’un seul atome, soit environ 0,14 nanomètre (10-9 m), ce n’est vraiment pas grand chose.

Un sandwich très conducteur

Les caractéristiques du graphène sont extrêmement nombreuses et toutes plus extraordinaires les unes que les autres. Dernière en date à être exploitée, au stade du laboratoire pour l’instant, sa conductivité. Si elle est bonne, deux chercheurs de l’université d’Exeter ont trouvé le moyen de l’améliorer encore. Monica Craciun et Saverio Russo ont mis au point un sandwich composé de deux couches de graphène entre lesquelles ils ont inserré une couche de molécules de chlorure de fer. Le résultat, baptisé GraphExeter est une alternative à l’oxyde d’indium-étain, matériau conducteur très utilisé en électronique mais qui devient fort coûteux à cause de sa raréfaction. Son approvisionnement pourrait de tarir en 2017. En prime, le GraphExeter est… transparent et flexible.

Electronique “portable”

Le GraphExeter pourrait ainsi servir dans une multitude d’application: des panneaux solaires dont ils pourraient augmenter l’efficacité de 30% à l’électronique “portable” (wearable, en anglais) au sens où elle pourrait s’intégrer aux vêtements. Demain, la grande mode sera peut-être le tee-shirt intelligent qui affiche des messages ou l’heure… Ou qui intègre un ordinateur, des écouteurs et des lecteurs MP3. Le portable qui devient vraiment portable et libère les poches… Déjà, les scientifiques de l’université d’Exeter ont mis au point une version du GraphExeter qui peut se pulvériser sur des tissus, des miroirs ou des vitres. Ainsi, le graphène pourrait changer notre vie. Au moins celle des geeks…

Michel Alberganti

Dans son bâtiment, ce laboratoire se repère de loin : il en sort un bruit grave et continu qui fait trembler les murs à longueur de journée. Le but de cette musique bien peu mélodieuse ? Faire danser des gouttes. Quelles gouttes ? Oh, rien de compliqué, au premier abord.

Il s’agit des gouttelettes qui se forment quand on sort brusquement un objet d’un liquide, mettons : une cuillère de votre café du matin. Bien sûr, dans votre café, la gouttelette ne dure pas longtemps, et semble être immédiatement absorbée par le liquide. Ce n’est en fait pas le cas : une caméra ultra-rapide permet de saisir les différentes étapes de la coalescence de la goutte avec le liquide dans lequel elle tombe, et montre qu’elle rebondit plusieurs fois sur la surface :

La plupart du temps, ce phénomène est très rapide, mais en observant attentivement une cafetière à filtre en train de passer du café, on peut en voir résister vaillamment une ou deux secondes avant de disparaître. Il faut dire que la surface du café tremble beaucoup…

Doucement les basses

Car voilà l’ingrédient secret pour sauver notre goutte d’une fin sans gloire : les vibrations.

Pour étudier le phénomène, les chercheurs utilisent un haut-parleur placé stratégiquement sous un bac d’huile et qui en fait vibrer la surface. Celle-ci se transforme alors en trampoline pour la goutte et la fait rebondir en rythme.

À chaque fois que la goutte descend, la surface remonte pour lui donner un nouvel élan vers le haut, ce qu’elle arrive à faire sans fusionner grâce au coussin d’air qui les sépare en permanence, jamais complètement chassé. C’est le phénomène qui explique par exemple les gouttes d’eau qui flottent dans les bols tibétains lorsqu’on les fait « chanter ».

Chorégraphie synchronisée

Les gouttes sont donc réfléchies par les vagues à la surface du liquide, et se retrouvent alors à se synchroniser, et à s’aligner en rangs d’oignons et à s’arranger en phalanges romaines :

Les gouttelettes s'agencent en formes régulières et reproductibles. © A. Eddi

Triangulaires, carrées ou hexagonales, ces formations sont stables tant que les vibrations se maintiennent :

L’explication de l’organisation est simple : si les gouttes retombent dans un creux des ondes, ou sur un pic, elles repartent à la verticale, sans changer de position. Mais si elles tombent à flanc de montagne, elles sont renvoyées un peu plus loin. Et comme chaque goutte est soumise aux vagues produites par les rebondissements de ses voisines, elles finissent par se répartir de façon à ce qu’elles soient à égale distance les unes des autres. Ces structures sont si régulières que les physiciens les ont baptisé « cristaux ».

Mais une goutte n’a pas forcément besoin de voisines pour se déplacer : dans certaines conditions expérimentales (lorsqu’on s’approche du seuil d’instabilité de Faraday), une seule goutte peut se retrouver à tomber sur la pente de l’onde qu’elle génère. Elle est donc décalée de quelques millimètres, mais comme les rides de l’eau sont créées par elle, les voilà qui se déplacent également, si bien que la goutte retombe exactement au même endroit de la pente, et le manège recommence.

Le champ d'ondes d'une goutte dans trois conditions expérimentales différentes. © A. Eddi

La goutte se met donc à voyager à la surface du bassin, emmenant avec elles tout un cortège d’ondelettes circulaires très coopératives : les ondes propulsent la goutte, et par échange de bons procédés la goutte entretient les ondes.

Des gouttelettes aux atomes

Les images de ces gouttes en pleine migration ne sont pas seulement fort jolies, pour un physicien, elles sont aussi très évocatrices. Un petit truc qui se balade accompagné d’une onde partout où il va, ça ne vous rappelle rien ?

Cela fait furieusement penser au plus célèbre paradoxe de la physique fondamentale : les rayonnements tels que la lumière, qui se comportent à la fois comme une onde et comme une particule solide (photon).  Et l’analogie avec cette dualité mystérieuse n’est pas que superficielle : on retrouve bien avec ces gouttes et ces ondes des aspects caractéristiques des rayonnements, comme la diffraction quand les ondes se rencontrent, ou encore des phénomènes plus étranges, comme l’effet tunnel.

En effet, si on tente de bloquer le déplacement de notre duo goutelette-onde en plaçant  un obstacle qui interdit la propagation du champ d’ondes, la goutte a tout de même une chance de le traverser. Une fois de l’autre côté, elle n’a qu’a rebondir sur la surface du bac pour reconstituer l’onde comme si elle était passée par un tunnel invisible…

Jusqu’où peut-on pousser la comparaison entre gouttelettes et corpuscules ? On ne le sait pas encore, mais une étude approfondie de ce modèle permettra de déterminer la validité de l’analogie.  Idéalement, ce couple voyageur goutte-onde pourrait constituer un moyen aussi parlant que pratique d’illustrer les idées les plus subtiles de la physique quantique. En attendant, vous reprendrez bien un peu de café ?

Fabienne Gallaire

Cet article est basé sur les explications fournies par Antonin Eddi, que je remercie, sur ses travaux de thèse effectués au laboratoire Matières et systèmes complexes de l’université Paris Diderot.

Références :

• Information stored in Faraday waves: the origin of a path memory, Antonin Eddi et al., J. Fluid Mech., 674, 10 mai 2011.
• Tibetan singing bowls give up their chaotic secrets, Jason Palmer,  BBC, 1er juillet 2011.
• Oscillating instability in bouncing droplet crystals, A. Eddi , A. Boudaoud et Y. Couder, Europhysics Letters, 94: 2, avril 2011.
• Wave propelled ratchets and drifting rafts,  Antonin Eddi et al., Europhysics Letters,  7 mai 2008.
• Single-particle interference observed for macroscopic objects, Lisa Zyga, 28 septembre 2006, Phys.org.

Précédemment, dans Speddy Neutrino:

Episode 1 – 23 septembre 2011
Le CERN annonce que les 15000 neutrinos de l’expérience OPERA ont franchi les 730 km qui séparent le laboratoire de Genève et celui du Gran Sasso, en Italie, ont parcouru cette distance avec 60 nanosecondes d’avance sur le temps qu’aurait mis la lumière pour effectuer la même distance. Ce résultat contredit la théorie de la relativité fondée sur le fait que la vitesse de la lumière ne peut être dépassée. La statue d’Albert Einstein vacille. Les physiciens du monde entier en ont le souffle coupé. Des centaines d’entre eux se mettent au travail pour tenter de comprendre le phénomène ou de trouver une erreur possible dans l’expérience.

Episode 2 – 18 novembre 2011
Le CERN refait l’expérience en réduisant le délai entre les pulsations de neutrinos. Le résultat est identique. Les neutrinos dépassent toujours la vitesse de la lumière.

Episode 3 – 23 février 2012
Le CERN identifie deux possibilités d’erreurs de manipulation dans l’expérience OPERA. La première concerne un oscillateur utilisé pour la synchronisation des GPS qui aurait pu conduire à surestimer le temps de vol des neutrinos. En d’autres termes, les neutrinos auraient été moins rapides. La seconde cause d’erreur pourrait être engendrée par une connexion de fibre optique dans la liaison entre le signal GPS externe et l’horloge principale d’OPERA qui aurait pu ne pas fonctionner correctement pendant la mesure. Là encore, cette erreur aurait pu conduire à une mesure du temps de vol des neutrinos plus courte que dans la réalité. Le CERN annonce que les impacts potentiels de ces deux sources d’erreurs sont analysés par les chercheurs d’OPERA. Les physiciens respirent… Le CERN annonce une nouvelle expérience pour le mois de mai 2012.

Nouvel Episode – 16 mars 2012

Le CERN annonce avoir refait le calcul du temps de vol des neutrinos émis en septembre 2011 à l’aide d’une autre expérience, ICARUS, installée dans le laboratoire du Gran Sasso. Résultat: ils ne dépassent pas la vitesse de la lumière. “Cela va à l’encontre des mesures initiales rapportées par l’expérience OPERA en septembre”, commente le CERN dans un communiqué.  L’organisme que certains commentateurs, dont quelques physiciens sur ce blog, avaient osé critiqué, en profite pour expliquer comment marche la science par la voix de Sergio Bertolucci, directeur de la recherche au CERN :

La preuve d’une erreur de mesure commence à apparaître au sujet de l’expérience OPERA. Mais il est important d’être rigoureux et les expériences de Gran Sasso, BOREXINO, ICARUS, LVD and OPERA, effectueront de nouvelles mesures avec des faisceaux pulsés depuis le CERN en mai afin de fournir un verdict final. De plus, des vérifications croisées sont en cours à Gran Sasso pour comparer les temps de parcours des particules cosmiques entre deux expériences, LVD et OPERA. Quel que soit le résultat, l’expérience OPERA s’est comportée avec une parfaite intégrité scientifique en ouvrant ses résultats à un large examen et en sollicitant des mesures indépendantes. C’est ainsi que la science fonctionne.

En somme, à ce stade, le CERN ne trouve que des raisons de se féliciter. Suite au prochain épisode pour, peut-être, l’épilogue de cette formidable leçon de physique et de probité scientifique.

Michel Alberganti

Près de 3000 articles en langue anglaise sont répertoriés par Google au sujet de la tempête solaire qui s’est produite le 6 mars 2012. L’événement, considéré comme le plus puissant depuis 5 ans, pouvait dérégler les satellites, perturber le GPS et mettre en danger les réseaux électriques comme lors de la grande panne de 1989 au Québec. Après un voyage de 150 millions de km, l’onde de particules éjectée par le soleil dans l’espace a touché la Terre ce jeudi 8 mars et l’on craignait de nombreuses perturbations. La Terre, et surtout les terriens, sont devenus tellement dépendants de l’électricité et de l’électronique que les colères magnétiques du Soleil les mettent en grand danger. Or, que s’est-il passé ? Rien pour l’instant… Si ce n’est de belles aurores boréales comme il s’en produit lors que chaque orage solaire. Notre étoile semble sortir d’une période de sommeil et promet donc de nouvelles éruptions au cours d’un nouveau cycle de 11 ans qui devrait être marqué par quelque 200 orages solaires aussi puissants que celui du 6 mars, soit environ un peu moins de 2 par mois en moyenne. Gageons que les prochains événements de ce type déclencheront moins de tempête médiatique. A tort, peut-être. Car, visiblement, l’art de la météo du système solaire souffre des mêmes incertitudes que celle qui concerne la Terre. Il semble difficile de prévoir l’impact de telles tempêtes sur notre bouclier constitué par la magnétosphère terrestre. Pour l”heure, réjouissons-nous d’avoir échappé à la colère du Soleil.

Michel Alberganti

Le piège dans lequel se forme l'antihydrogène.

Il faut reconnaître aux chercheurs du CERN de Genève, fort nombreux il est vrai, qu’ils ne désarment pas. Alors que l’affaire des neutrinos plus rapides que la lumière (expérience OPERA) n’est pas officiellement élucidée et que le boson de Higgs n’est pas totalement démasqué, une autre équipe, celle de l’expérience ALPHA, publie dans la revue Nature du 7 mars 2012, un article relatant ses derniers progrès dans l’étude de l’un des phénomènes les plus mystérieux de la physique: l’antimatière. « Nous avons prouvé que nous pouvons sonder la structure interne de l’atome d’antihydrogène, a déclaré Jeffrey Hangst, porte-parole de la collaboration ALPHA. C’est pour nous extrêmement prometteur. Nous savons désormais qu’il est possible de concevoir des expériences permettant de mesurer avec précision des antiatomes. » Les chercheurs ont en effet réalisé, pour la première fois, une mesure du spectre de l’antihydrogène.

Quelque chose plutôt que rien

Il ne s’agit pas du bout du chemin mais bien d’un premier pas significatif vers la compréhension que ce qu’est vraiment l’antimatière. Les chercheurs estiment qu’ils sont sur la voie d’une comparaison entre des atomes de matière et des atomes d’antimatière.  Il doivent encore affiner leurs mesures permettant d’ausculter l’antimatière afin d’en percer enfin les secrets. A terme, l’expérience ALPHA nous permettra peut-être de répondre à une question ô combien fondamentale: “Pourquoi existe-t-il quelque chose plutôt que rien ?” En effet, dans l’état actuel de nos connaissances, il ne devrait rien y avoir. Après le Big Bang, il semblerait que matière et antimatière aient existé en quantités égales. Or, en présence l’un de l’autre ces deux entités s’annihilent, c’est à dire qu’il ne reste… rien. Pourtant, ce n’est pas du tout ce qui s’est passé, loin s’en faut ! Malgré cette coexistence originelle nihiliste, d’une part l’antimatière a disparu et d’autre part la matière, elle, s’est retrouvée seule. C’est elle qui constitue l’Univers visible tout comme les cellules de notre corps. Tout le contraire, donc, de ce qui aurait dû arriver. Pourquoi la nature a-t-elle ainsi privilégié la matière ? Mystère.

Vers le spectre de l’antihydrogène

Le moment où les atomes d'antihydrogène sortent du piège et s’annihilent.

Pour le percer, les physiciens d’ALPHA se concentrent sur l’atome d’hydrogène, “l’élément le plus présent dans l’Univers “, comme le rappelle Jeffrey Hangst. “L’hydrogène et l’antihydrogène sont-ils différents ? Nous pouvons affirmer que nous le saurons un jour », s’avance le chercheur. Sa confiance s’appuie sur les dernières expériences réalisées qui sont parvenues à piéger des atomes d’antihydrogène dans des faisceaux de champs magnétiques. Soumis ensuite à un rayonnement micro-onde de fréquence très précise, ces antiatomes subissent une modification de leur orientation magnétique ce qui les libère du piège. Aussitôt, l’antihydrogène en contact avec l’hygrogène ambiant et disparaît non sans avoir laissé des traces caractéristiques de ses propriétés qui sont captées par les détecteurs situés autour du piège magnétique. En multipliant les expériences de ce type utilisant des micro-ondes mais aussi des lasers, les chercheurs d’ALPHA espèrent obtenir un spectre complet de l’antihydrogène qu’ils pourront comparer avec celui de l’hydrogène, très bien connu. Ils pourront alors peut-être comprendre pourquoi l’antimatière a disparu de l’Univers et pourquoi la matière, elle, a pris le pouvoir suprême. Celui d’exister.

Michel Alberganti

Ecoutez l’émission Science Publique sur France Culture au sujet de l’antimatière ( 7 janvier 2011):

07.01.2011 – Science publique | 10-11

Que peut nous apprendre l’antimatière ?

60 minutes

En toute logique, c’est le rien qui aurait du surgir du Big Bang. Une rencontre entre la matière et l’antimatière produit une quantité inimaginable d’énergie. Et puis… plus rien. Or, il existe, bel et bien, quelque chose que nous appelons la matière… Pourquoi existe-t-elle ? Et pourquoi son double, l’antimatière, a-t-il disparu ? Avec Etienne Klein CEA), Niels Madsen (CERN), Michel …

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