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Iseult, plongée dans le cerveau humain

19 mai 2017

Une prouesse technologique

Pour ses 10 ans le centre NeuroSpin du CEA de Saclay se dote de l'IRM (instrument d'imagerie par résonance magnétique) le plus puissant au monde. Avec son aimant supraconducteur de taille inédite, il produira un champ magnétique de 11,7 teslas, près de huit fois plus intenses que ceux des IRM cliniques, dépassant le record de 10,5 T actuellement détenu par des Américains.

En améliorant la résolution des données d’imagerie médicale tomographique, l’aimant d’Iseult permettra de zoomer dans le cerveau avec une fluidité sans précédent. Outre son haut champ magnétique, le dispositif de blindage et le système cryogénique associés au scanner font de ce projet une véritable prouesse technologique. L'aimant sera installé et mis en service à NeuroSpin au courant de l'année 2017, suivie par une phase de tests. Son exploitation est prévue pour 2019.

Des enjeux médicaux, scientifiques, technologiques

L'IRM du projet Iseult ouvre la voie à l’exploration cérébrale à de très hautes résolutions spatiale et temporelle. En se fondant sur un assemblage de réseaux, non plus de millions de neurones mais de seulement quelques centaines ou milliers de neurones, le scanner permettra l’investigation de l’organisation fine du cerveau, tant sur le plan de l’architecture que sur le plan fonctionnel. Comment fonctionne le cerveau humain ? Quels sont ses éventuels dysfonctionnements ? Comment ses axes de câblage s'organisent-ils ?

Jusqu'à présent, les IRM permettent d'étudier l'architecture du cerveau en repérant les molécules d'eau. En offrant la possibilité d’observer d’autres molécules, comme les neurotransmetteurs ou le sucre, Iseult pourrait mener à découvrir de nouveaux marqueurs de maladies. À la clé, de meilleures connaissances fondamentales sur les troubles neurologiques et la santé mentale, donc à terme le développement de nouveaux outils thérapeutiques.

En savoir plus

NeuroSpin, centre névralgique, dossier page 14, Les défis du CEA

Le scanner IRM du projet Iseult, supplément dédié au scanner, Les défis du CEA

Le site du CEA, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives

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Propriétés du graphène
Les qualités électroniques et mécaniques du graphène ouvrent des pistes technologiques dans les domaines de l'électronique, de l'énergie, de la santé et des matériaux.

Publié le 31 mars 2017

Le graphène est un matériau en deux dimensions, un cristal constitué d’atomes de carbone agencés en hexagones. Dans la nature, l'empilement de couches de graphène forme le graphite, que l'on rencontre couramment dans les crayons. Enroulé sur lui-même, il forme les nanotubes. Flexible, léger, ultrarésistant, transparent, excellent conducteur, imperméable à de nombreux gaz, le graphène a des qualités électroniques et mécaniques qui lui ouvrent de nombreuses pistes dans les domaines des nanotechnologies et des sciences des matériaux.

Pour l'instant, sa structure peu modulable limite ses applications et ses performances et sa production reste très problématique et onéreuse. Le principal obstacle à franchir est donc la synthèse de la molécule de graphène elle-même, selon des procédés rentables. Des recherche cherchent à mettre en point des analogues organiques du graphène, avec les mêmes propriétés, mais plus faciles à produire. Pour une étude publiée dans Nature Chemistry, la méthode de synthèse mise au point devrait permettre la conception d’autres analogues organiques du graphène, ce qui constitue un enjeu majeur en chimie des matériaux.

Le graphène et l'électronique

Le graphène n'est ni un métal ni un semi-conducteur, ce qui laisse la possibilité de lui conférer différentes propriétés. Par exemple, obtenir une surface transparente, flexible et conductrice. Cela ouvre ouvre la voie à l’électronique souple, aussi bien pour les écrans des téléphones portables et des tablettes que pour le secteur textile. Grâce à la mobilité des électrons dans le graphène, qui se propagent cent fois plus rapidement que dans le silicium, ce matériau conducteur peut révolutionner le domaine de l'électronique rapide. Pour des systèmes de détection, par exemple ceux des pare-chocs dédiés au respect automatique des distances de sécurité, ou pour des applications sans fil telles que les télécommunications à haut débit, les communications par satellite, les radars et la photodétection en astrophysique.

Il est possible aussi de créer des dispositifs hybrides, associant par exemple étain et graphène, qui peuvent devenir supraconducteurs à partir de l'application d'une tension électrique. Avec cette nouvelle propriété, le courant se déplace sans perte, ce qui pourra servir notamment à la conception des ordinateurs quantiques, importante avancée attendue dans le domaine du traitement de l'information.

Le graphène et l'énergie

Sous sa forme de minces feuillets, le graphène sert au développement du photovoltaïque. Grâce à sa transparence, sa flexibilité et son excellente conductivité, le graphène peut remplacer dans la fabrication des électrodes des cellules solaires, l’actuel oxyde d’indium-étain, un matériau rare et toxique.

De même, ses propriétés électriques pourraient lui permettre de remplacer le carbone dans les batteries lithium-ion, qui alimentent la plupart de nos appareils électroniques. Enrichies en graphène, la conductivité des électrodes est améliorée, en plus d'augmenter la quantité d'énergie maximale emmagasinée et la durée de vie de la batterie.

Les supercondensateurs, de leur côté, pourraient recharger un téléphone portable en quelques secondes. Les surfaces poreuses des électrodes étant actuellement composées de charbon en poudre, les réaliser avec des nanofeuillets de graphène permettrait d’obtenir une plus grande capacité de stockage des ions. À plus long terme, l'hydrogène des piles à combustible pourrait être emmagasiné dans les feuillets de carbone du graphène plutôt que dans des bonbonnes sous pression. Cela permettrait d'atteindre un meilleur rendement, d'améliorer sans doute la sécurité et de diminuer le coût.

Le graphène et la santé

Avec sa large surface de contact, le graphène est très efficace pour détecter la présence des gaz. Associée à sa conductivité électrique, cette propriété permettrait de détecter une seule molécule de gaz parmi un milliard d’autres, avec l'avantage pour les capteurs de fonctionner à température ambiante. La détection sensible de la pollution sera utile pour sa santé des villes et des campagnes, en aéronautique et en médecine.

Grâce à sa propriété encore mal comprise de s'accumuler dans les tumeurs, le graphène pourrait être utilisé pour cibler les cellules cancéreuses. Soit pour les rendre visible par imagerie photoacoustique en liant les particules de graphène à de l'or, soit pour détruire spécifiquement les cellules malades en chauffant les particules de graphène. En plus de diagnostiquer et traiter les cancers, le matériau pourrait aider à l'ingénierie tissulaire, en accélérant la différenciation de cellules souches en cellules spécialisées.

Le graphène pourrait aussi révolutionner le domaine la désalinisation de l’eau de mer, en permettant à l'eau de mer de passer à travers une membrane extrêmement fine.

Le graphène et les matériaux

Deux cents fois plus résistant que l’acier mais six fois plus léger, et encore plus lorsqu'il fait partie de matériaux composites, le graphène pourrait se substituer à certains métaux. Par exemple, pour la construction d’avions plus légers donc moins coûteux et moins gourmands en énergie. En outre, de tels composites permettent de mieux évacuer le courant, ce qui évite d'ajouter une protection métallique supplémentaire pour évacuer la foudre. Là encore, gain de poids donc moins d'énergie consommée.

En savoir plus

Le graphène superstar, CNRS Le Journal (4 épisodes)

Les prouesses de l'électronique flexible, Sciences et Avenir

Des polymères organiques pour remplacer le graphène, Pour la Science

Arthur Jeannot
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