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À la fin des années 1990, avec l'irruption de la téléphonie mobile dans la vie quotidienne, les constructeurs cherchent une solution pour supprimer des câbles de raccordement entre le téléphone portable et les oreillettes. ...

La photosynthèse artificielle

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Asthme : pistes thérapeutiques

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En France, l'asthme touche plus de quatre millions de personnes et cause environ 1000 décès chaque année. Généralement de nature allergique (70% des formes d'asthme), l'asthme provoque des difficultés ...

Des métamatériaux aux propriétés étonnantes

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Les métamatériaux constituent un champ de recherche actif, en particulier dans les domaines de l'électromagnétisme et de la mécanique. L'objectif est de conférer à des matériaux des propriétés particulières, en ...

Véhicules autonomes : situation et défis

Les véhicules autonomes font l'objet d'importants efforts de recherche et développement chez les industriels du secteur automobile ou encore chez les géants de la Silicon Valley. Les premiers développements ont commencé dans les années 2000 et aujourd'hui, de nombreuses sociétés ...

Joseph Fourier

Joseph Fourier, l'un des plus grands mathématiciens français, est né il y a 250 ans, en 1768, à Auxerre. C'est l'occasion de revenir sur les découvertes de ce génie des mathématiques et de la physique, qui sont aujourd'hui au cœur des technologies utilisées au quotidien. ...

Les atouts de la voiture électrique

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Si l'intérêt des véhicules électriques pour la réduction de la pollution de l'air, en particulier dans les villes, est évident, il n'en est pas de même pour ce qui est de sa contribution à la lutte contre le changement climatique ...

fractales et compréhension du monde

Il est coutume, pour décrire un objet fractal, de le rapprocher de la récursivité des poupées russes : tous deux présentent une structure dite hologigogne, c'est-à-dire que leur tout est parfaitement identique à chacune de ses parties. Forgée en 1974 par le mathématicien Benoît Mandelbrot, la notion de fractalisation aura permis la désinence de bien des figures, jusque-là trop irrégulières pour répondre aux normes géométriques traditionnelles. Nombre de phénomènes naturels sont aujourd'hui répertoriés comme fractals compte tenu de leur géométrie autosimilaire : le chou-fleur de variété romanesco par exemple, la fronde d'une fougère, le réseau des rivières, les alvéoles pulmonaires, la structure des invertébrés, des vaisseaux sanguins, des roches, des lignes de côtes, des flocons de neige, etc.  La modélisation par des fractales permet même de mieux comprendre certains phénomènes comme la spongiosité d'un nuage, les turbulences d'un liquide, les éruptions volcaniques, la répartition des exoplanètes jusqu'aux motifs de la queue d'un paon...

Chez l'Homme par exemple, la configuration des bronches, garantit une surface d'échange gazeux particulièrement étendue - la même chose pour les végétaux : la fragmentation régulière des frondes d'une fougère augmente l'efficacité de la photosynthèse ; il a également été démontré qu'entre un chou romanesco et un chou ne présentant aucune fractalisation, l'activité photosynthétique du chou "fractal" était 4 à 5 fois plus élevée.

La radio est un autre domaine d'application : les antennes d'ailes télescopiques rétractables permettent d'occuper un très faible espace tout en maintenant une bonne émission des ondes radioélectriques. Cela étant, le domaine pour lequel la fractalisation est la plus exploitée reste l'imagerie : la fameuse compression d'images informatiques (sous le code JPEG) par exemple, s'articule autour de techniques fractales censées corriger les motifs répétitifs que l'on trouve en photographie.

Les fractales s'appliquent à des domaines tels l'urbanisme, la sociologie, la finance... Les économistes Laurent-Emmanuel Calvet et Adlai Fisher ont ainsi développé des modèles dits "multifractals" à l'intention des entreprises pour évaluer les risques financiers - des sortes d'anticipations de la volatilité des échanges. En effet, il suffirait de regarder les évolutions des cours de bourse, les fameuses courbes « en dents de scie ». Qu'on regarde les courbes sur 10 ans, 5 ans, 6 mois, ou quelques semaines, les propriétés sont bien sûr différentes, mais l'allure générale de la courbe ne varie que très peu. On reconnaît dans ces objets une structure fractale : « ils peuvent être décomposés en fragments dont chacun a la même forme que le tout », comme l'expliquait Mandelbrot lui-même. Par ailleurs, certains n'hésitent pas à invoquer la fractalisation pour expliquer l'étonnante régularité des krachs boursiers - les marchés ayant effectivement tendance à chuter tous les 7 ans.

Mais finalement, c'est bien par leur beauté que ces objets fascinent le plus. Cette science du rugueux, pour reprendre l'expression de Mandelbrot, souvent érigée en symbole de l'élégance des mathématiques, s'est même traduite en courant artistique, baptisé art algorithmique ou simplement art fractal ; cette discipline regroupe des paysages synthétiques formés à partir de l'itération d'une fonction du plan dans le plan ; des animations ; mais aussi des musiques, caractérisées par le fait de répéter les mêmes motifs rythmiques, de façon à ce que chaque élément reproduise le tout.

Publié le 21/02/2018

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Un accélérateur de particules sous le Louvre
Parmi tous les visiteurs qui arpentent chaque jour les galeries du Louvre, très peu savent que, sous leurs pieds, se cache un accélérateur de particules pas ordinaire. Son objectif : améliorer la connaissance des œuvres confiées au centre qui l'abrite.

Un accélérateur de particules au service des recherches du Louvre

Quand on se demande quels peuvent être les apports des sciences à l'archéologie, chacun a tendance à penser aussitôt à la datation au carbone 14. Mais l'âge n'est pas la seule information que l'on peut déterminer scientifiquement. Grâce à AGLAÉ (pour Accélérateur Grand Louvre d'Analyse Élementaire), un accélérateur de particules situé sous le Louvre, il est possible d'accéder à la composition chimique des oeuvres d'art. Et cela sans les détériorer, même sans les toucher, et avec une excellente précision. À l'origine de ces résultats : les progrès les plus récents en matière de chimie et de physique nucléaire, ainsi que de nombreuses innovations spécifiques au contexte d'utilisation si particulier d' AGLAÉ .

Un principe général commun à différentes applications

Cet accélérateur de particules met en oeuvre différentes méthodes. Leur principe est commun : envoyer un faisceau de particules, plus ou moins énergisé, sur l'objet dont on veut connaître la composition. Ces particules vont interagir avec la matière selon différentes modalités : elles peuvent être déviées ou absorbées. Dans ce dernier cas, on observe l'émission de rayonnements et/ou de nouvelles particules. Ce sont ces derniers que des capteurs vont détecter puis analyser. Les experts pourront comparer les relevés ainsi obtenus avec ceux provenant de l'étude de matériaux connus et déterminer ainsi la composition chimique de l'objet.

La question est maintenant de savoir quelles particules doivent être utilisées pour bombarder l'objet. Selon la nature des matériaux et le niveau de précision attendu, on ne choisira, en effet, pas le même faisceau incident. Pour une étude générale, si on veut connaître les éléments présents soit en majorité, soit à l'état de traces, on utilisera la méthode PIXE (Particle Induced X-Ray Emission), qui permet de doser les éléments présents, du sodium à l'uranium. Pour cette analyse, on envoie sur l'objet un faisceau d'ions ou de protons peu énergétiques qui vont arracher aux atomes traversés un électron proche du noyau. L'atome ainsi touché se trouve alors dans un état instable et excité : le "trou" créé est comblé par un électron venant d'une orbite plus extérieure. En même temps, pour libérer son excès d'énergie, l'atome émet un rayon X. C'est la détermination de l'énergie de ce rayon qui permet de déterminer l'élément chimique. En effectuant cette mesure sur une zone complète de l'objet, on peut retrouver la composition chimique des matériaux utilisés.

D'autres méthodes permettent des analyses soit en profondeur, soit plus précises. La méthode RBS , pour Rutherford Backscattering Spectrometry, permet par exemple de tracer des cartes de composition chimique en profondeur, et la méthode NRA (Nuclear Reaction Analysis) complète les résultats de la technique PIXE : elle donne les mesures des concentrations en éléments les plus légers, de l'hydrogène au sodium.

Des innovations pour s'adapter aux oeuvres à analyser

Initialement, AGLAÉ possédait deux lignes de faisceaux : la première était dotée d'une chambre à vide traditionnelle. La deuxième a été conçue "sur mesure" par l'équipe de physiciens et d'ingénieurs travaillant sur place, pour pouvoir traiter même les objets trop fragiles ou volumineux pour être placés dans la chambre à vide. Il leur a donc fallu imaginer un procédé permettant de réaliser les analyses sans que les résultats ne soient parasités par l'atmosphère. Pour cela, ils ont disposé une fine épaisseur de matière en sortie de l'accélérateur. Elle permet de maintenir le vide en amont tout en laissant passer les particules. Celles-ci interagissent avec l'objet selon les processus décrits ou évoqués ci-dessus et sont détectées, ainsi que les éventuels rayonnements émis, par deux capteurs. L'un d'eux, de grandes dimensions, permet la détection des éléments à l'état de traces. L'autre, plus petit, est intégré dans un dispositif alimenté régulièrement en hélium. On peut de la sorte remplacer l'air par l'hélium, ce qui augmente la sensibilité du capteur et permet d'éliminer le bruit de fond créé par l'argon de l'atmosphère. On appelle l'ensemble de cette ligne "faisceau extrait à l'air" ; elle constitue l'une des nombreuses innovations proposées puis réalisées dans le but d'adapter au mieux AGLAÉ à l'analyse des œuvres d'art.

Un appareil qui a largement fait ses preuves

La performance d'AGLAÉ a été montrée à de très nombreuses reprises depuis le début de son fonctionnement, en 1989. Cet accélérateur unique en son genre a été utile tout d'abord en archéologie et histoire de l'art. C'est grâce à lui qu'on a pu démontrer scientifiquement qu'une tête égyptienne en verre bleu était en fait un faux et qu'on a pu prouver l'origine birmane des yeux en rubis d'une statuette de la déesse mésopotamienne Ishtar, ce qui indique des échanges très anciens entre le Proche et l'Extrême Orient. L'utilisation de l'appareil est aussi utile pour la science de la conservation : il permet de caractériser l'altération des métaux et de comprendre certains mécanismes de corrosion. Grâce à ces données, on pourra définir des normes de conservation et d'exposition adaptées au mieux à chaque objet.

AGLAÉ est aujourd'hui utilisé près de 10 000 fois par an par des chercheurs venant de toute l'Europe. Il reste la seule installation au monde de ce type, située directement au coeur d'un musée. De plus, il ne cesse d'évoluer pour s'adapter aux oeuvres à analyser : actuellement en rénovation, on construit à côté de lui un nouvel appareil qui utilisera d'autres technologies pour compléter aux mieux celles déjà proposées.

En savoir plus

AGLAÉ : son histoire et son fonctionnement

La découverte d'un faux grâce à AGLAÉ

 

Aurore Sallard
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